Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép

c tránh quá dòng, áp 16 ChươngIV: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 18 I. Nguyên lý mạch điều khiển 18 1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 18 2. Chức năng các khâu trong mạch điều khiển 18 II. Tính toán thiết kế mạch điều khiển 20 1. Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động 20 2. Tính toán khâu chia xung và phân kênh 21 3. Tính toán khâu khuếch đại sửa xung 23 4. Tính toán khâu phản hồi 25 5. Tính toán thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển 26 Kết kuận Tài liệu tham khảo Lời nói đầu Trong những năm gân đây, sự ra đời và phát triển nhanh của các thiết bị điện tử công suất, cùng với sự phat triển của xã hội đã tạo nên thay đổi sâu sắc và toàn diện của ngành kỷ thuật điện nói chung va các ngành biến đổi điện năng nói riêng. Các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngày càng thể hiện rõ các ưu việt nổi bật như: kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh, làm việc ổn định với độ tin cậy cao, gia thành hạ,… cũng chính nhờ những ưu điểm đó mà các thiết bị bán dẫn dã và đang xâm nhập vào nhiều lĩnh vực như:công nghiệp dệt may, sản xuất, điện năng, sản xuất giấy,… cùng với xu hướng ấy, các nhà máy luyện kim đã đưa vào phương pháp tôI thép mới và hiện đại đó là tôI thép bằng phương pháp cảm ứng hay còn gọi là tôI tần số cao. Công nghệ tôI thép cảm ứng với khản năng tự động hoá cao, quá trìng điều khiển đơn giản,… đảm bảo năng suất và chất lượng cua vật tôI đã và đang được ứng dụng trong thực tế, cung cấp phần nào sản luợng thép đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng. Đối với sinh viên ngành tự đông hoá,Điện Tử Công suất là một trong những môn học quan trọng, không thể thiếu. Để nắm vững kiến thức biết áp dung vào thực tế biến kiến thức của thầy cô thành kiến thức bản thân và bắt đầu làm quen với đồ án tạo tiền đề cho đồ án tốt nghệp sau này. Trong kỳ này đề tài em được giao: “Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép” là một đề tài không mới, có nhiều tài liệu tham khảo và đề cập, tuy nhiên thực tế để hiểu sâu và phân tích thấu đáo các vấn đề của toàn bộ đề tài lại đòi hỏi người thực hiện một quá trình làm việc nghiêm túc, miệt mài. Chương i: Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật Khái niệm: Lò tôi cảm ứng là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần. 2. ứng dụng và ưu nhược điểm: Lò tôi cảm ứng hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trong ngành luyện kim, đây là phương pháp nhiệt luyện tiên tiến, chủ yếu dùng để tôi bề mặt. Nó có những tính năng ưu việt sau : - Có thể truyền nhiệt lượng cho vật cần tôi một cách trực tiếp, nhanh chóng không cần qua khâu trung gian do đó có thể tiến hành tự động hoá sâu và hiệu suất cao. Đồng thời, do thời gian nung ngắn nên bề mặt sản phẩm không bị oxihoá - Có thể tiến hành gia nhiệt trong các môi trường khác nhau như môi trường trung tính, chân không một cách dễ dàng. - Do đặc điểm của phương pháp mà chi tiết đem tôi có độ cứng bề mặt cần thiết trong khi vẫn giữ được độ dẻo thích hợp trong lõi đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với chi tiết đem tôi. Mặt khác, lò tôi cảm ứng có thể tôi được các chi tiết có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khó có thể đáp ứng ví dụ như các trục khuỷu, bánh răng, vấu... - Do có thể tự động hoá sâu mà năng suất lao động được nâng lên, điều kiện lao động cũng được cải thiện. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm: - Chủ yếu dùng cho những chi tiết có cùng tiết diện hay tiết diện thay đổi không đáng kể. Với những chi tiết phức tạp, khó đạt tổ chức mactenxit đồng nhất, ngoài ra hệ số hữu ích của thiết bị thấp (0,1 – 0,2) - Không đảm bảo đủ độ bền tĩnh đối với những chi tiết làm việc ở chế độ nặng nề nhất ( đặc biệt chi tiết lớn trên f30) vì lõi không được hoá bền. 3. Tính chất công nghệ: -Tính chất tải của lò cao tần là tải cảm: Lò tôi cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, gồm các cuộn dây được cấp nguồn có tần số cao; khi cho tải đi qua là các chi tiết bằng thép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản thân chi tiết. Xét một cuộn dây quấn xung quanh lõi thép, khi đặt vào 2 đầu của cuộn dây này một điện áp xoay chiều hình sine sẽ làm phát sinh một dòng điện có cường độ i đi qua cuộn cảm: i = I0.sin(wt) Trong cuộn cảm xuất hiện một suất điện động tự cảm: e = -L = -wLI00 cos(wt) Giả thiết điện trở R của cuộn cảm bằng không, khi đó ta có định luật Ôm cho đoạn mạch sẽ là: u = R.i-e = wLI00 cos(wt) = wLI00 sin(wt+p/2) => u = U0sin(wt+p/2) Như vậy hiệu điện thế ở hai đầu cuộn cảm (không có điện trở) biến thiên điều hoà cùng tần số góc với dòng điện qua cuộn cảm và sớm pha hơn dòng điện p/2 - Để nghiên cứu quá trình truyền năng lượng điện từ từ nguồn điện vào thanh kim loại người ta sử dụng phương trinh Macxoel trong trường điện từ: rot H = j + ; div H =0; rot E = -; div E=0; trong đó: B=mH : độ từ cảm,[T]; H – cường độ từ trường, [H] D=e0E : điện cảm,[C/ m2]; E – cường độ điện trường, [V/m] j =gE = E/r - mật độ điện dẫn r=1/g - điện trở suất của kim loại g - điện dẫn suất của kim loại Qua biến đổi ta được năng lượng cung cấp cho kim loại: S= với năng lượng cấp nhiệt cho kim loại: năng lượng phản kháng: trong đó d - bề dày thẩm thấu H0 – cường độ từ trường ở bề mặt kim loại. - Phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần được dùng khá phổ biến trong các xưởng nhiệt luyện. Đây là một dạng nguồn nhiệt được sinh ra trong bản thân chi tiết nhờ dòng điện cảm ứng tập trung ở bề mặt. Vì vậy, trong một lớp mỏng ở bề mặt lượng nhiệt toả ra rất lớn, nung bề mặt chi tiết với một tốc độ rất cao. Nhiệt lượng được phát sinh chủ yếu do hai nguyên nhân: + Xuất hiện dòng Fucô: đây là các dòng điện khép kín ( có chiều ngược với chiều của dòng kích thích) do đó được biến đổi hoàn toàn thành nhiệt năng. Trên thực tế, tần số được sử dụng để nhiệt luyện thường từ 500Hz 1MHz. Tần số càng cao thì chiều sâu nung càng nhỏ. Chiều sâu của lớp mỏng tiêu thụ 86,5% lượng nhiệt cung cấp được gọi là chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng, được tính bằng công thức: d=503(m) + Xuất hiện đường cong từ trễ: dưới tác dụng của từ trường ngoài với cường độ H[A/m], trong vật liệu dẫn điện xuất hiện cảm ứng từ (mật độ từ thông) B[T]. Khi từ trường biến thiên, sẽ tạo nên vòng từ trễ và diện tích của vòng từ trễ chính là năng lượng điện từ được chuyển thành nhiệt năng: ST= BdH [J/m3] ST thể hiện lượng nhiệt được sinh ra trong một đơn vị thể tích vật liệu dưới tác động của điện từ trường biến thiên. - Trong quá trình tôi, chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng bị thay đổi do giá trị điện trở suất r và độ thẩm từ m thay đổi theo nhiệt độ. Khi nung từ nhiệt độ thường tới nhiệt độ Quyri (7680C), điện trở suất tăng mạnh, còn độ thẩm từ gần như không đổi. Sau nhiệt độ Quyri điện trở suất tăng chậm lại, độ thẩm từ nhanh chóng giảm xuống tới =1, cường độ nung giảm mạnh, do đó, trên thực tế khi nung thép phải tính toán riêng cho hai giai đoạn nung ( dưới và trên điểm Quyri). Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng đối với thép cacbon thấp như sau: Dưới 7000C: [cm] Trên 8000C: [cm] Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f=10000Hz, nhiệt độ nung thay đổi từ 201000C thì r thay đổi từ 10.10-6130.10-6(m) và m thay đổi từ 601(H/m). Khi đó lớp thấm tôi cung thay đổi d=0,226,7(mm). Với công suất tôi là 45kW thì thích hợp cho việc tôi các vật có kích thước vừa và nhỏ khoảng f20 cm với lớp tôi từ 0,5-6 mm như các bánh răng, trục khuỷu... Trong trường hợp toàn bộ lớp tôi được nung bằng dòng cảm ứng, đảm bảo tốc độ nung cao; còn nếu chiều sâu lớp xâm nhập của dòng cảm ứng quá nhỏ so với chiếu sâu lớp tôi thì quá trình nung sẽ xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt với tốc độ thấp. Chiều sâu lớp tôi không những phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vào bản chất của vật liệu tôi, nhiệt độ nung và tốc độ nung trong khoảng chuyển biến pha, nói chung ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri. Để đảm bảo chất lượng lớp tôi với thông số đã xác định là tần số f=10000Hz cần lựa chọn thời gian nung tức tốc độ nung phù hợp. Để xác định tốc độ nung, cần phải biết thời gian nung lớp kim loại ở khoảng nhiệt độ đã cho. Các phương pháp tính toán ( chủ yếu là thực nghiệm) giả định rằng công suất riêng, tính cho một đơn vị bề mặt là không đổi. Thực tế chúng có thể thay đổi cỡ 30-50%, cho nên ta sẽ phải dùng giá trị trung bình q(W/m2). 4. Xác định khoảng thời gian nung a, Xác đinh thời gian nung giai đoạn một: Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng d1 trong giai đoạn này thường nhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt (d2) nhiều lần, nên có thể coi rằng nhiệt lượng sinh ra từ bề mặt được truyền vào trong bằng dẫn nhiệt. Vì vậy sử dụng phương trình mô tả quá trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt không đổi (từ bề mặt) để tính toán, ta được: Trong đó: J = t-tđ , nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu tđ,0C l - hệ số dẫn nhiệt của kim loại, W/mK a - hệ số khuếch tán nhiệt ( dẫn nhiệt độ ) của kim loại, m2/s x - là khoảng cách kể từ bề mặt, m t - thời gian, s q - công suất riêng ( nhiệt suất tạo ra trong chi tiết trên một đơn vị bề mặt của nó),W/ m2 iercf(z) – ký hiệu tích phân hàm Krampa Khi đó nhiệt độ trên bề mặt (x=0) tính theo công thức sau: Từ đó thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn một được tính là: b, Xác đinh thời gian nung giai đoạn hai: Đây là giai đoạn nung từ nhiệt độ Quyri đến nhiệt độ tôi. Do độ thẩm từ giảm mạnh, chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng được tăng lên tương ứng với chiều sâu lớp tôi. Do đó, để tính toán ta sử dụng phương trình vi phân mô tả quá trình dẫn nhiệt với nguồn nhiệt phân bố đều trong toàn lớp tôi bề mặt. Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ như sau (với x d2): Trong đó: JQ= t- tQ là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri tQ , 0C d2 – chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, m Hàm F(z) tính như sau: F(z) = erfz – Hàm Krampa theo z Khi đó: Nhiệt độ tại bề mặt chi tiết (x=0) trong giai đoạn hai tính như sau: Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x= d2) tính như sau: Dựa trên các công thức này và bằng phương pháp gần đúng liên tục (cho giá trị , tính và t, nếu sai số lớn thì chọn lại và lặp lại phép tính) có thể tính thời gian nung từ điểm Quyri đến nhiệt độ tôi của bề mặt chi tiết và của giới hạn trong lớp tôi. Cuối cùng thời gian nung tổng thể bằng tổng thời gian nung của giai đoạn một và hai 5. Yêu cầu chất lượng, đặc điểm nguồn cấp và cấu tạo thiết bị - Chất lượng của thép được đem tôi được đánh giá qua các thông số Độ dày lớp được tôi, độ cứng, độ dẻo nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: + Đặc điểm của thép đem tôi: thành phần cacbon, hình dạng, kích thước... + Thời gian tôi, thời gian làm nguội + Đặc điểm của nguồn (tần số, biên độ, công suất...), môi chất làm nguội. - Đặc điểm của nguồn điện cấp cho lò tôi: Bộ nguồn nghịch lưu đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho lò khi có tải tức lúc đang tôi và phải đảm bảo làm việc được lúc không tải khi chi tiết đem tôi di chuyển hết ra khỏi ống vòng dây của thiết bị nung. Do đặc điểm làm việc của lò tôi là không tải thường xuyên lặp lại nên nghịch lưu đòi hỏi phải làm việc được ở chế độ không tải. - Cấu tạo của thiết bị: Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng tần số cao từ 500 – 500.000 Hz. Thiết bị cao tần bao gồm hai bộ phận chính là: nguồn phát tần số và cuộn cảm ứng, ngoài ra còn có các bộ phận để làm nguội. + Nguồn phát tấn số cao có hai loại chính 1. Máy phát tần số trung bình (500 – 10.000 Hz) dùng chủ yếu để nung sâu hoặc để nấu chảy kim loại 2. Máy phát tần số từ 10.000 – 200.000 Hz dùng chủ yếu để nung các chi tiết có kích thươc trung bình với độ sâu thẩm thấu khoảng 0,1 – 2 mm 3. Máy phát tần số cao (200.000 – 500.000 Hz) dùng bóng bán dẫn để nung lớp mỏng bề mặt . + Cuộn cảm ứng có nhiều loại, tuỳ thuộc vào hình dáng, kích thước của chi tiết, phương pháp nung cũng như công suất của thiết bị và yêu cầu về năng suất cần đạt. Chương 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: - 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. 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: 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 góc khoá nghịch lưu thay đổi khi giá trị của điện cảm đầu vào Ld thay đổi. Cụ thể: Ld= => id = Id= const, dòng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật. Và có ut biến thiên hàm mũ và góc khoá là max. 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 giảm đi. 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 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. Tải mang tính cảm nên ta đấu với tải tụ C nhằm tạo ra dao động cộng hưởng và đồng thời phải bù thừa nhằm tạo ra góc khóa cần thiết để chắc chắn là khóa được van lực. 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. 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 = 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. - Tại thời điểm 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: Xét đồ thị hoạt động của mạch: - 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 lớn để nghịch lưu làm việc ổn định và tần số f0<fN _ tần số nghịch lưu, để đảm bảo các van được khoá chắc chắn - Ngịch lưu cộng hưởng song song sử dụng nguồn dòng nên không thể làm việc được ở chế độ không tải. * 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. Chương iii: Tính toán mạch lực Số liệu: Công suất: P= 70kW Điện áp ra: Ura=400 V Tần số: fN= 10000 Hz cosđm=0.8 Ta có sơ đồ: Dòng điện tải ở chế độ định mức: IN= => R= Do 1+tg2= 1/cos2 => tg= 0,75 Mà tg= UL/UR = .L/R => L= => ZL= Do van làm việc ở tần số cao nên thời gian phục hồi ngắn. Ta lấy toff = 7s. Vì vậy để đảm bảo nghịch lưu hoạt động bình thường thì góc khoá nghịch lưu Chọn =300. Theo đồ thị ta có: tg= từ đó ta có: ZC= R. tg + ZL= 1,46. + 1,1=1.94() => điện dung: C = = = 8,2(F) Từ sơ đồ mạch ta có thể xác định được điện áp nghịch lưu: UN = IN = 218,75 =368,5 (V) => Điện áp một chiều cung cấp cho nghịch lưu: E = UN = . 368,5 409 (V) ở đây, điện áp uN >> U _ độ sụt áp trên van nên ta có thể bỏ qua độ sụt áp này. 1. Lựa chọn các van: Xét các thông số van Tiristor: Dòng trung bình qua van: ITB-T = = = (A) Điện áp ngược max: Ung-T max = E =409 (V) Lựa chọn các hệ số dự trữ Ki và Ku theo điều kiện làm mát của van. Do điều kiện làm việc, nên ta có thể làm mát bằng nước, nằm trong quá trình làm mát vật liệu sau khi đi ra khỏi lò. ở đây ta chọn các hệ số dự trữ: Ki = 1,5 và Ku = 1,5 Do đó ta có: IT = Ki. ITB-T = 137,85 (A) UT = Ku. Ung-T max = 613,5 (V) Từ các thông số này ta có thể tra và chọn van Tiristor sau: SC150C80 có các thông số cơ bản sau: Điện áp ngược cực đại: Un max= 800 (V) Dòng điện làm việc cực đại: Iđm max = 150 (A) Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn: Umax = 1,6 (V) Điện áp xung điều khiển: Ug = 2,5 (V) Dòng điện xung điều khiển: Ig = 100 (mA) Đạo hàm điện áp: du/dt = 200 (V/s) Đạo hàm dòng điện: di/dt = 250(A/s) Xét các thông số của Diode: Dòng trung bình qua Diode: ITB-D = = = (A) Điện áp ngược đặt lên Diode: Ung-D max = E =409 (V) Chọn các hệ số dự trữ như đối với Tiristor , ta có: ID = Ki. ITB-D = 9,9 (A) UD = Ku. Ung-D max =613,5 (V) Từ đó tra và chọn Diode CR20_100 có các thông số sau: Dòng chỉnh lưu cực đại: Imax = 20 (A) Điện áp ngược của Diode: Un = 1000 (V) Tổn hao điện áp ở trạng thái mở: U = 1,1 (V) Tính toán tụ C0: Giá trị của tụ C0 được tính như sau: C0 = UC: biến thiên điện áp nguồn một chiều tính theo % Tt = Lt/Rt Để đơn giản trong tính toán ta chọn tụ C0 theo công thức: C0 = 2. Xét mạch bảo vệ van mạch lực tránh quá dòng, áp: Ta sử dụng mạch bảo vệ đơn giản (như hình vẽ): Ta mắc van song song với một tụ C và R để tránh quá áp; giá trị của C và R thường được tính theo kinh nghiệm: R = 20100 () và C = 0,54 () ở đây ta chọn: R = 50 và C = 2 Để bảo vệ quá dòng ta mắc van nối tiếp với một cuộn cảm L. Giá trị điện cảm tính như sau: < Do: , nên: => L > Từ đó có thể xác định giá trị của điện cảm: L=2 (H) * Như vậy, tổng quan ta đã lựa chọn và thiết kế xong cơ bản mạch lực của phần nghịch lưu. Chương iv: thiết kế và tính toán mạch điều khiển i. nguyên lý mạch điều khiển Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Phỏt xung điều khiển khởi động Chia xung Khuếch đại sửa xung Van mạch lực Khõu phản hồi Chức năng các khâu trong mạch điều khiển: Khâu tạo xung điều khiển 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 khuếch đại sửa xung: khâu này nhằm tạo ra xung điều khiển thích hợp với van mạch lực và cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển đảm bảo an toàn cho người điều khiển. 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. * 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 ra 2 kênh để đi vào điều khiển 2 nhóm van của mạch lực. Xung này có dạng xung vuông chữ nhật, sau khi cho qua mạch vi phân xung ra có dạng xung răng cưa. Tiếp theo, xung được đưa vào bộ phận chuyển mạch ( khi chưa có xung phản hồi) rồi khâu khuếch đại tạo xung để tạo ra xung có điện áp phù hợp cấp cho mạch van. Sau khi, mạch van làm việc, tải bắt đầu hoạt động, có dòng điện tải dạng hình sin ( do thực hiện nghịch lưu cộng hưởng nguồn áp). Dòng điện này ta cho đi qua biến dòng để tạo tín hiệu áp sau đó cho đi qua mạch so sánh để tạo ra xung có điện áp phù hợp. Xung này được xử lý bằng mạch số để tạo tín hiệu chặn xung điều khiển. Đồng thời cũng lấy xung này qua các khâu để chỉnh sửa thành xung phù hợp và đưa vào mạch để điều khiển sau đó. * Như vậy, sau khi xung phản hồi xuất hiện, khâu phản hồi thực hiện chức năng của mình là chặn tín hiệu xung điều khiển khởi động và lấy tín hiệu phản hồi về để điều khiển. Khi đó mạch sẽ làm việc ổn định ở chế độ cộng hưởng. ii. tính toán thiết kế mạch điều khiển * Các thông số cần đạt được của mạch điều khiển: + Điện áp điều khiển của Tristor Uđk= 3 V + Dòng điện điều khiển Iđk= 100mA + Tần số nghịch lưu fN= 10000Hz + Độ rộng xung răng cưa tx + Mức sụt áp xung cho phép Ux=0,2 V + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển 15V 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) ở đây ta sử dụng mạch tạo dao động dùng Op-Amp là phổ biến hiện nay: Sơ đồ mạch: Tần số dao động của mạch phù hợp với tần số xung mở Tristor là: fđk= 2fN= 2.10000 = 20000(Hz) Ta có chu kỳ xung của mạch là: T = 2.RC.ln Vì ở đây các điện trở không tham gia vào việc hạn chế dòng điện nên có thể chọn sao cho: T= 2.RC Do đó ta chọn: R1= 1 k và R2= 0,86 k Khi đó: T= 2.RC = Chọn R=1 k => C= Chọn khuếch đại thuật toán: do yêu cầu tạo ra xung có tần số điều khiển fđk=20000 Hz nên ta cần phải chọn một IC có tốc độ nhanh. Do đó ta chọn IC LM318. IC này chỉ gồm một con trên một vỏ nên rất thích hợp với việc làm mạch tạo dao động: Vì vậy ta chỉ cần chọn 1 IC cho một mạch tạo dao động duy nhất + Nguồn cung cấp: UCC = 15V + Dòng vào IC: Ivao= 10 mA + Công suất: P = 500 mW + Nhiệt độ làm việc: t0C = 0 – 70 0C Sau mạch tạo dao động ta nắp thêm mạch R-Diode để loại bỏ phần xung âm: ta chọn R3= 1 k và diode 1N4448 có các thông số sau: + Điện áp ngược: Ung=20 V + Dòng điện max: Imax=100mA Tính toán khâu chia xung và phân kênh Ta sử dụng T-Flip-Flop làm mạch chia xung ( chia 2) và phân kênh. T Flip-Flop được tạo ra từ D-Flip-Flop bằng cách nối đầu ra với đầu vào D. Xung điều khiển được đưa vào đầu vào xung nhịp C của D Flip-Flop. Chọn D Flip-Flop là IC 4013 Tính toán khâu khuếch đại sửa xung a, Mạch vi phân: Ta sử dụng khâu vi phân đơn giản dùng mạch R-C. Do xung đi qua Flip-Flop có thể bị méo dạng xung nên cần có phần hiệu chỉnh điện áp xung ở sau, vì vậy ở đây ta chọn mạch vi phân như sau: Khi đó ta có: ura= RC.duvao/dt b, Mạch khuyếch đại: Thiết kế máy biến áp xung thực hiện chức năng khuếch đại tạo xung và cách ly điện áp giữa mạch điều khiển và mạch lực. Tính toán biến áp xung Chọn vật liệu làm lõi sắt: biến áp xung luôn phải làm việc với tần số cao do đó các lõi thép thích hợp với tần số 50Hz (lõi làm từ các lá thép kỹ thuật bình thường) không thể đáp ứng được, mà phải sử dụng lõi sắt ferit. ở đây lõi sắt bị từ hóa một phần. Tính toán thể tích lõi sắt: V= trong đó: + Kba là hệ số máy biến áp Kba=2 + U2 là điện áp điều khiển U2= 1,6V + I2 là dòng điều khiển I2= 100mA + Ux là độ sụt áp cho phép của xung điều khiển Ux= 0,2V + tx là độ rộng xung điều khiển, vì xung là đối xứng hay khoảng không có xung bằng khoảng có xung nên ta có: tx = = = 50.10-6 s Do chế độ của lõi sắt làm việc ở miền từ hoá một phần nên theo đồ thị ta chọn: B = 0.2 T và H =30 A/m. Thay vào cụng thức ta cú : V = V = 0,53.10-6(m3) Tra bảng các loại lõi sắt làm việc trong miền từ hóa một phần ta chọn lõi sắt có dạng trụ với các thông số sau: + Loại lõi sắt 2213 + Đường kính ngoài 22mm + Đường kính trong 13mm + Diện tích lõi sắt Slõi = 0,635 cm2 + Diện tích cửa sổ từ Scửa sổ = 0,297 cm2 Ta cũng tính được các thông số của cuộn sơ cấp máy biến áp như sau: + Điện áp: U1 = U2.Kba = 1,6.2 = 3,2 V + Dòng điện: I1 = I2/Kba = 100/2 = 50 mA Hình dạng và kích thước lõi sắt như sau: Tính toán số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp xung: W1= = = 14 (vòng) W2= W1/Kba =14/2 = 7 (vòng) Biến áp xung cần đảm bảo nhân thành nhiều xung để điều khiển nhiều van ( 2 van) cùng nhóm mở cùng một lúc nên cần thiết kế biến áp xung nhiều cuộn thứ cấp, ở đây biến áp xung cấn có 2 cuộn thứ cấp. Hai cuộn thứ cấp này có cấu tạo hoàn toàn tương tự nhau nên ta không cần tính toán thêm nữa. Như vậy khâu khuếch đại tạo xung có cấu tạo như sau: Lựa chọn các van: Xung điều khiển là dạng xung đơn nên ta lựa chọn mạch trên làm mạch khuếch đại tạo xung (sử dụng biến áp xung). Hai bóng T1 và T2 đều chọn theo điều kiện điện áp như nhau là chịu được trị số nguồn Ecs=15V. Về dòng điện, bóng T1 chọn theo dòng điện đi qua cuộn sơ cấp của biến áp xung: IC1= I1 = 50 mA. Từ đó ta chọn bóng T1 là: ZTX300 có các thông số sau: + Ic max = 0,5 (A) = 500 (mA) + Uce max =25 V + min = 50 + Pc max = 0,3 (W) Dòng qua bóng T2 chính là dòng qua bazo T1 và bằng: IC2=Ib1 = IC1/ = 50/50 =1 (mA) Từ đó ta có thể chọn bóng T2 là: BC108 có các thông số sau: + Ic max = 0,1 (A) = 100 (mA) + Uce max =20 V + min = 110 + Pc max = 0,3 (W) Vì độ rộng xung điều khiển nhỏ hơn nhiều chu kỳ phát xung nên công suất phát nhiệt trên van không đáng kể và không phải quan tâm đến vấn đề này khi tính toán. Điện trở R1 chọn từ điều kiện mở bão hòa tốt cho T1, T2 đồng thời không gây quá tải cho tầng trước của khuếch đại xung: trong đó: + Uvmax là điện áp lớn nhất van chịu được: Uvmax = 25 V + Ivmax là dòng điện lớn nhất van chịu được: Ivmax = 0,5 A + , lần lượt là hệ số khuếch đại của T1, T2: =50, =110 + Ecs là điện áp nguồn cung cấp: Ecs = 15V + s là hệ số bão hòa s= 1,2 – 1,5 lấy: s=1,2 Từ đó ta đựơc: 50 R1 917.103 () => Chọn R1= 500 k Diode D1 có tác dụng bảo vệ cho các tranzitor, chức năng của nó là loại bỏ phần điện áp âm đi vào khuếch đại xung. Diode D2 nhằm chống quá áp gây hỏng các bóng khi chúng chuyển từ dẫn sang khóa do ảnh hưởng của sức điện động tự cảm trên cuộn dây biến áp xung. Từ đó ta có thể chọn các diode như sau: * Diode D1 và D2 là loại 1N4448 có các thông số sau: + Điện áp ngược: Ung=20 V + Dòng điện max: Imax=100mA Như vậy ta đã thiết kế xong khâu khuếch đại tạo xung. * Để điều chỉnh được xung đầu vào khâu này nhằm đạt được xung theo yêu cầu, ta thiết kế thêm bộ phận khuếch đại điện áp sử dụng khuếch đại thuật toán mắc theo kiểu khuếch đại không đảo. Nhằm để điều chỉnh điện áp nên ta thiết kế mạch khuếch đại có thể thay đổi được hệ số khuếch đại bằng cách dùng biến trở R3 như hình vẽ: Hoặc ta cũng có thể sử dụng diode ổn áp có Uổn áp= 6 (V) =U1. Từ đó ta chọn loại diode ổn áp MMSZ6V2T1 có các thông số: + Điện áp: Uổn áp= 6,2 (V) + công suất: P= 1 (W) Ta sẽ sử dụng diode ổn áp ở mạch phản hồi để tạo ra xung phù hợp cho vào khâu khuếch đại tạo xung. Tính toán khâu phản hồi: a, Biến đổi tín hiệu bằng biến dòng: - Ta sử dụng biến dòng để tạo ra tín hiệu áp phản hồi điều khiển mạch. Chọn biến dòng loại AMC2-300 có các thông số: + Dòng vào: Ivao=300 A + Dòng ra: Ira = 5 A - Tín hiệu ra khỏi biến dòng là tín hiệu áp hình sin, để tạo ra tín hiệu xung điều khiển ta cho tín hiệu này qua mạch so sánh sử dụng Comparator loại LM119 có các thông số sau: + Nguồn cấp: UCC= 15V + Dòng vào lớn nhất: Imax= 11,5 mA + Công suất: P = 500 mW + Nhiệt độ làm việc: t0C = 0 – 70 0C - IC này gồm có 2 con trong một vỏ nên rất thuận tiện cho việc thiết kế mạch điều khiển: b, Tạo tín hiệu chặn xung điều khiển: - Để tạo tín hiệu chặn xung điều khiển ta thực hiện như sau: + Khi có tín hiệu điện áp (dạng sin) phản hồi thì nó được chỉnh lưu qua mạch cầu Diode và được lọc bằng tụ. Nó tạo thành dòng chảy qua cực gốc phát của Trazitor làm cho Tranzitor dẫn ở trạng thái bão hòa, do đó tín hiệu Q sẽ ở mức thấp “0” logic ( VQ= 0,6 V). Ngược lại khi không có tín hiệu phản hồi thì tín hiệu Q sẽ ở mức cao ( VQ= 5 V). + Tiếp đó tín hiệu phản hồi được đưa vào mạch có thêm phần tử NOT và AND như hình vẽ: nếu không có tín hiệu phản hồi tương ứng với Q = “1” thì nó sẽ cho tín hiệu xung điều khiển đi qua còn khi có tín hiệu điều khiển tương ứng với Q= “0” thì nó sẽ không cho tín hiệu xung điều khiển đi qua và như vậy tín hiệu điều khiển sẽ bị chặn lại. + Tính toán, lựa chọn cho khâu phản hồi như sau: Chọn cầu Diode chỉnh lưu loại 2KBP00._.