Đồ án môn học: Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép cảm ứng

Tài liệu đồ án Điện tử công suất: Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép cảm ứng. Phân tích nguyên lý, tính toán chi tiết mạch lực và mạch điều khiển.

• Tác giả: Lê Xuân Tiến
• Người hướng dẫn: Dương Văn Nghi
• Chuyên ngành: Điện tử công suất
• Đề tài: Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2002
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Bộ Biến Tần cho Lò Nấu Thép

Bộ biến tần cho lò nấu thép là thiết bị điện tử công suất quan trọng trong công nghệ nấu thép hiện đại. Công nghệ lò cảm ứng đã dần thay thế phương pháp nấu thép truyền thống, mang lại hiệu suất cao và độ tự động hóa vượt trội. Bộ biến tần hoạt động với điện áp nguồn 3380VAC (±10%), tần số 50Hz, cung cấp công suất 250 kW với tần số đầu ra 100Hz. Hệ thống này cho phép điều khiển quá trình nấu thép một cách linh hoạt, tăng năng suất và giảm thời gian nấu. Ứng dụng thiết bị bán dẫn công suất như thyristor, IGBT giúp cải thiện độ tin cậy và hiệu quả năng lượng của toàn hệ thống.

1.1. Nguyên lý hoạt động của Lò Cảm Ứng

Lò cảm ứng hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Dòng điện xoay chiều tần số cao chạy qua cuộn cảm ứng tạo ra từ trường biến thiên, cảm ứng dòng điện trong vật liệu kim loại cần nấu. Dòng cảm ứng này tạo nhiệt Joule làm nóng chảy vật liệu. Bộ biến tần điều chỉnh tần số và điện áp để kiểm soát nhiệt độ, công suất nấu chính xác.

1.2. Ưu điểm của Công nghệ Biến Tần

Bộ biến tần mang lại nhiều ưu điểm: kiểm soát công suất linh hoạt, giảm tổn hao năng lượng, tăng tuổi thọ thiết bị, giảm nhiễu điện từ, và dễ dàng tự động hóa. Hệ thống cho phép điều chỉnh điện áp và tần số độc lập, tối ưu hóa quá trình nấu thép theo yêu cầu cụ thể từng loại vật liệu.

II. Phân tích và Lựa chọn Phương án Tối ưu

Thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép cần phân tích kỹ lưỡng các phương án khác nhau để chọn giải pháp tối ưu. Các thông số kỹ thuật ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hệ thống bao gồm: điện áp nguồn 3380VAC, công suất 250kW, tần số đầu ra 100Hz, và hệ số công suất cosφ = 0,4. Phương án tối ưu thường sử dụng cấu trúc biến đổi hai giai đoạn: Rectifier (chỉnh lưu) để chuyển AC thành DC, sau đó Inverter (nghịch lưu) để tạo ra AC tần số cao. Phương án này cho phép điều khiển độc lập điện áp và tần số, đạt hiệu suất cao nhất (85-95%) và đáp ứng các yêu cầu động của lò nấu thép.

2.1. Các Thông số Kỹ thuật Chính

Các thông số quan trọng bao gồm: điện áp DC link, công suất biến đổi, tần số hoạt động, độ gợn sóng, hệ số hiệu chỉnh. Với công suất 250kW, cần lựa chọn van bán dẫn (Thyristor, IGBT) có khả năng chịu dòng cao, điện áp cao. Hệ thống làm mát và bảo vệ phải được thiết kế kỹ lưỡng để đảm bảo độ tin cậy.

2.2. Lựa chọn Cấu trúc Biến đổi Tối ưu

Cấu trúc Rectifier – DC Link – Inverter được chọn vì cho phép kiểm soát linh hoạt. Mạch chỉnh lưu sử dụng Thyristor 6 xung để chuyển AC 3 pha thành DC. Bộ lọc DC giảm gợn sóng. Mạch nghịch lưu sử dụng PWM để tạo AC tần số 100Hz chất lượng cao, phù hợp với yêu cầu lò cảm ứng.

III. Thiết kế Mạch Lực của Bộ Biến Tần

Mạch lực là phần quan trọng nhất của bộ biến tần, bao gồm các khối chính: mạch chỉnh lưu (Rectifier), bộ lọc (Filter), và mạch nghịch lưu (Inverter). Mạch chỉnh lưu 6 xung sử dụng 6 Thyristor hoặc diode được kích động từ một máy biến áp 3 pha, chuyển đổi điện áp AC 3380V thành DC có điện áp khoảng 3200-3400V. Bộ lọc gồm cuộn cảm và tụ điện loại bỏ các thành phần tần số cao, giảm gợn sóng xuống dưới 5%. Mạch nghịch lưu PWM sử dụng IGBT để chuyển đổi DC thành AC 3 pha tần số 100Hz với điện áp đầu ra 800VAC. Các van bán dẫn phải được thiết kế hệ thống tản nhiệt hiệu quả, sử dụng tấm gắn nhiệt, quạt làm mát để đảm bảo hoạt động ổn định.

3.1. Thiết kế Mạch Chỉnh Lưu

Mạch chỉnh lưu 6 xung sử dụng 6 Thyristor được tổ chức thành cầu 3 pha đầy đủ. Mỗi Thyristor được chọn với điện áp chịu được ≥ 5000V, dòng tối đa ≥ 300A. Góc kích động (α) được điều chỉnh để kiểm soát điện áp DC đầu ra. Với máy biến áp 3380/1200V, sẽ thu được DC khoảng 3000V sau chỉnh lưu, phù hợp để cấp cho mạch nghịch lưu.

3.2. Thiết kế Bộ Lọc và Hệ thống Tản Nhiệt

Bộ lọc LC được thiết kế với cuộn cảm 50-100mH để hạn chế sự thay đổi dòng, tụ điện 1000-2000μF để giảm gợn sóng. Hệ thống tản nhiệt sử dụng tấm gắn nhiệt (heatsink) bằng nhôm hoặc đồng, quạt làm mát buộc để duy trì nhiệt độ van bán dẫn ≤ 80°C, đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.

IV. Mạch Điều khiển và Hệ thống Phản hồi

Mạch điều khiển là trái tim điều phối toàn bộ hoạt động của bộ biến tần. Hệ thống chia thành các khối chức năng chính: khối sinh xung kích động Thyristor, khối sinh xung PWM cho IGBT, khối cảm biến và xử lý tín hiệu. Các mạch phản hồi bao gồm: phản hồi dòng điện, phản hồi điện áp DC, phản hồi tần số. Phản hồi dòng điện sử dụng cảm biến Hall hoặc shunt điện trở để đo dòng tức thời, bảo vệ chống quá dòng. Phản hồi điện áp sử dụng cảm biến điện áp để kiểm soát điện áp DC đầu ra ở mức 3000V. Phản hồi tần số đảm bảo đầu ra 100Hz chính xác. Bộ vi xử lý hoặc IC điều khiển như TL494, SG3525 xử lý tín hiệu phản hồi, điều chỉnh xung kích động duy trì ổn định hệ thống.

4.1. Nguyên lý Hoạt động Mạch Kích động

Mạch kích động tạo xung PWM tần số cao (5-10kHz) cho IGBT mạch nghịch lưu. IC điều khiển (như SG3525) nhận tín hiệu điều khiển từ người dùng, so sánh với tín hiệu phản hồi, tạo ra xung PWM. Xung này qua driver (IC cách ly) kích động IGBT. Xung kích động Thyristor mạch chỉnh lưu được tạo từ mạng điện 50Hz, đồng bộ hóa để tạo xung 6 chiều.

4.2. Hệ thống Phản hồi và Bảo vệ

Cảm biến Hall đo dòng mạch lực, tín hiệu được xử lý so sánh với mức cài đặt. Nếu quá dòng, hệ thống ngắt xung bảo vệ Thyristor/IGBT. Cảm biến điện áp kiểm soát điện áp DC. Phản hồi nhiệt độ từ cảm biến NTC giảm xung nếu nhiệt độ van vượt 80°C, bảo vệ thiết bị khỏi quá nhiệt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lời mở đầu Chương  : 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 thống Chương VII: Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống.  Tài liệu tham khảo. 2 Đồ án điện tử công suất Lời nói đầu Lịch sử ngành công nghiệp điện tử được đánh dấu bằng những sự kiện quan trọng 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 John Bardeen 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 công nghiệp điện tử của thiết bị bán dẫn công suất lớn như điot, tiristor, triac, transtor chịu được điện áp cao và dòng điện lớn, và cả những phần tử thiết bị bán dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch chức năng, vi xử lý là những phần tử thiết yếu trong 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 bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh 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 thép mới là công nghệ nấu thép cảm ứng. Công nghệ này dần dần thay thế phương pháp nấu thép truyền thống dùng lò Mactanh.

Công nghệ nấu thép cảm ứng dùng bộ biến tần với các phần tử bán dẫn có khả năng tự động hoá cao và điều khiển quá trình nấu thép rất dễ dàng, năng suất nấu thép tăng, thời gian nấu nhanh. Điều đó đã đáp ứng được một phần nào nhu cầu sử dụng thép trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đất nước. Đối với sinh viên ngành tự động hoá, môn học Điện tử công suất. là một trong những môn quan trọng.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 :Thiêt kê bộ biến tần cho lò nấu thép cảm ứng.Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế rất lớn.Bộ biến tần đã được một số nhà 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 các thầy cô trong bộ môn, đặc biệt là sụ hướng dẫn trực tiếp của thầy Dương Văn Nghi 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 01-2002 Sinh viên 3 Đồ án điện tử công suất Cao Đức Dũng CHƯƠNG1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NẤU THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÒ CẢM ỨNG Đề tài thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thep cảm ứng là dề tài có giá trị thực tế rất lớn , nó đã được đưa vào sử dụng trong các nhà máy gang thép ,nhà máy luyện kim.

Ơ nước ta cũng như trên thế giới các phần tử bán dẫn điện tử cong suất đã và đang được áp dụng trong mọi lĩnh vực nhất là lĩnh vực công nghiệp để có nền sản xuất qui mô và khả năng tự động hoá cao .Đó cũng là lí do phương pháp nấu thép mới dùng lò cảm ứng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống. Trước hết chúng ta tìm hiểu sơ lược về công nghệ nấu thép trong ngành luyện kim. Ngành luyện kim ra đời từ rất lâu ,sản phẩm của nó đáp ứng được nhu cầu trong mọi lĩnh vực .Trong thời gian đầu các phương pháp luyện thép cổ điển như :lò cao, lò Mactanh đây là những lò dùn thang củi. Ngày nay với sự sữ dụng rộng rãi điện năng thì các phương pháp nấu luyện thép bằng điện chiếm ưu thế.

Nờu thép bằng lò điện là phương pháp có thời gian nấu nhanh nhất mang lại hiệu quả kinh tế cao vì phương pháp này điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng khác nhau nên ta có thể điều chỉnh được thành phần nhiệt độ dễ ràng và có thể luyện được tất cả các loại thép khác nhau, dùng cho các mục đích khác nhau. Có các loại lò điện như: Lò hồ quang, lò điện trở, lò cảm ứng. Trong các loại lò điện trên thì lò cảm ứng là lò có ưu điểm nổi trội hơn cả. Lò cảm ứng sử dụng bộ biến tần với các phần tử bán dẫn và mạch điều khiển điện tử nên quá trình điều trở nên đơn giản dễ dàng.

Lò cảm ứng có thể luyện được các loại thép có chất lượng cao, ngoài ra thời gian nấu luyện thép rất ngắn, các mẻ thép này chỉ dùng lò cảm ứng mới nấu được. VËy lß c¶m øng cã cÊu t¹o vµ nguªn lý ho¹t ®éng nh thÕ nµo mµ l¹i cã ®îc u viÖt nh vËy? Thùc ra cÊu t¹o cña lß c¶m øng còng ®¬n gi¶n nh mét sè lß ®iÖn kh¸c. Nã gåm c¸c bé phËn chÝnh sau: Bé biÕn tÇn, cuén c¶m øng, khung lß, ¸o lß. Cuén c¶m øng hay cßn gäi lµ vßng c¶m øng cã d¹ng bÇu dôc lµm tõ èng ®ång tiÕt diÖn cña cuén c¶m cã d¹ng: 4 Đồ án điện tử công suất Cuén c¶m øng nhËn ®iÖn ¸p cã tÇn sè rÊt lín: Vµi tr¨m ®Õn vµi ngh×n Hz.

Nguyªn lý vÒ ®iÖn trong lß c¶m øng nh sau: Chóng ta ®· biÕt mét d©y dÉn dÆt trong tõ trêng biÕn thiªn sÏ sinh ra søc ®iÖn c¶m øng: E=4,44m.10-7(V) Trong ®ã n l¸ sè vßng c¶m øng,  : tõ th«ng, f: tÇn sè dßng xoay chiÒu. Søc ®iÖn ®éng c¶m øng cµng lín khi 3 ®¹i lîng phô thuéc m, f, n cµng lín. Trong lß c¶m øng khi cã dßng ®iÖn tÇn sè cao ®i qua c¸c vßng c¶m øng(cuén s¬ cÊp )th× khèi lîng kim lo¹i chÊt trong nåi sÎ sinh ra Sdd c¶m øng E2 vµ dßng ®iÖn c¶m øng I2, nhê xuÊt hiÖn dßng I2 mµ khèi lîng ®îc nung nãng vµ ®Õn mét lóc nµo ®ã bÞ ch¶y ra. MÆt kh¸c ta cã n¨ng lîng chuyÓn thµnh nhiÖt trong khèi liÖu W W=I2.10-9) I: cêng ®é dßng trong cuén c¶m n:sè vßng c¶m øng d: ®êng kÝnh nåi lß(cm) h: chiÒu cao kim lo¹i trong lß(cm) : §é tõ thÈm : §iÖn trë suÊt mÎ liÖu(cm) nh vËy n¨ng lîng chuyÓn thµnh nhiÖt trong mÎ liÖu tØ lÖ thuËn víi b×nh ph¬ng cêng ®é.

Khi sè vßng Ýt vµ cêng ®é dßng ®iÖn lín th× cuén c¶m øng ®îc nung nãng m¹nh h¬n. B©y giê ta xÐt qu¸ tr×nh nÊu thÐp diÔn ra trong lß vµ sù thay ®æi ®Æc tÝnh c¬ cña thÐp. C«ng suÊt ®iÖn cña lß trong ®å ¸n lµ 250kW t¬ng øng mçi mÎ nÊu ®îc kho¶ng 250kg thÐp qu¸ tr×nh nÊu thÐp nh sau: khi chÊt mÎ liÖu vµo lß vµ b¾t ®µu nÊu th× phÇn thÐp ë gi÷a bÞ sôt xuèng vµ bÞ nãng ch¶y , phÇn thÐp ë xung quanh gÇn ¸o lß bÞ nãng ch¶y tríc, sau ®ã phÇn thÐp ë gi÷a bÞ sôt xuèng vµ bÞ nãng ch¶y vµ cuèi cïng khi thÐp ch¶y thµnh níc th× ta rãt thÐp vµ l¹i cho mÎ kh¸c cø nh vËy trong lß lu«n cã sù biÕn ®éng hay nãi c¸ch kh¸c t¶i 5 Đồ án điện tử công suất cña bé biÕn tÇn lu«n biÕn ®æi. §Æc tÝnh cña thÐp trong qu¸ tr×nh nÊu nh sau   : là độ từ thẩm của thép : là suất điện trở của thép(cm) nhìn vào đặc tính ta thấy khi nhiệt độ còn thấp thì  rất nhỏ độ từ thẩm  lớn khi đó thép có tính điện cảm rất lớn.

Trong khoảng từ 780 0 đến 9000C thì thép bắt đầu chảy khi đó  giảm mạnh và  tăng nhanh. Ta nói đây là sự biến động của  và  .khi thép chảy thành nước thì thép hết từ tính chỉ còn  tức là chỉ có tính chất điện trở. Như vậy khi thiết kế bộ biến tần cho lò cảm ứng ta thấy tải có tính chất cảm kháng và tải có sự biến động rất lớn .Mặt khác khi thép chảy thành nước thì coi như tải ngắn mạch. Bộ biến đổi tần có sơ đồ như sau : 6 Đồ án điện tử công suất 7 Đồ án điện tử công suất 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 chỉ cần 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.Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp tải có tính chất cảm kháng. (Dòng điện chậm pha so với điện áp 1 góc t ) 1) Sơ đồ nguyên lý: 2) xác định miền dẫn của các van : *Từ 0  t : it< 0 thế a là (+) D1D4 hoặc V1V4 thông nhưng do it< 0 Ut > 0 thế b là (-) nên D1D4 dẫn *Từ t   : it > 0 Ut > 0 V1V4 thông *Từ  + t : Ut < 0 it > 0 D2D3 thông *Từ  + t 2 : it< 0 Ut > 0 V2V3 thông * Xác định thời điểm chuyển mạch giữa các van Tại t : có sự chuyển mạch : D1  V1 ; D4 V4 Tại  : có sự chuyển mạch : V1  D3 ; V4  D2 Tại: có sự chuyển mạch : D2  V2 ; D3  V3 it D1 V1 V3 D3 Cd Ut Zt Ed a b it D2 V2 V4 D4 Tại 2 : có sự chuyển mạch : V2  D4 ; V3  D1 *Xét sự chuyển mạch dòng điện : Xét tại  : có sự chuyển mạch : từ V1  D3 ; V4  D2 : 1 khoảnh khắc có V1V4 đang thông iv1 = iv4 = it > 0 8 Đồ án điện tử công suất Muốn khoá V1V4 bằng cách duy nhất là cưỡng bức khoá bằng xung  V1V4 là van điều khiển hoàn toàn.

Nếu dùng V 1V4 là van điều khiển không an toàn thì phải đấu tổ hợp của các van điều khiểnkhông hoàn toàn + tụ + điện cảm.