Đề tài Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò nấu thép

Lời nói đầu Trải qua nhiều giai đoạn nghiên cứu và phát triển, ngành công nghiệp điện tử được đánh dấu bằng sự ra đời của Thyrantron (1902) do kỹ sư người Anh John Fleming sáng chế và phát minh ra Transistor (1948) do hai nhà vật lý người Mỹ là John Bardeen và WH Barttain sáng chế và Thyristor (1956) do nhóm kỹ sư hãng Bell sáng chế. Đến nay các nước phát triển đẫ sáng chế được những thiết bị bán dẫn công suất lớn như Điốt, Tiristor, Triac,Transistor chịu được điện áp cao. Không những thế mà cả các thiết bị bán dẫn cực nhỏ như: Vi mạch đa chức năng, vi xử lý …cũng ra đời. Không riêng gì ở các nước phát triển mà cả các nước đang phát triển như ở nước ta hiện nay thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các nghành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, các khu công nghiệp, các nhà máy như xi măng, thuỷ điện, giấy, đường, dệt, sợi là những chứng minh cụ thể nhất. Theo xu hướng phát triển của các nghành công nghiệp, để bắt kịp tốc độ phát triển khoa học trên thế giới, các nhà máy đã đưa vào công nghệ nấu thép mới để thay thế cho các công nghệ lạc hậu. Đó là công nghệ nấu thép cảm ứng. Công nghệ này dùng bộ biến tần với các phần tử bán dẫn có khả năng tự động hoá cao và điều chỉnh quá trình nấu thép dễ dàng, năng suất nấu thép tăng, thời gian nấu nhanh … Điều đó đã đáp ứng được nhu cầu sản xuất trong nước. Để có thể nắm vững được môn học, em đã tham gia làm đồ án môn học với đề tài : " Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lũ nấu thộp”. Chương I Giới thiệu công nghệ nấu thép Đề tài thiết kế bộ biến tần cho lò nấu thép là đề tài có giá trị thực tế rất lớn, nó đã được đưa và sử dụng trong các nhà máy Gang Thép, nhà máy Luyện Kim. ở nước ta cũng như trên thế giới các phần tử bán dẫn điện tử công suất đã và đang được áp dụng trong mọi lĩnh vực nhất là lĩnh vực công nghiệp để có nền sản suất để có nền sản suất quy mô và khả năng tự động hoá cao. Đó cũng là lý do phương pháp nấu thép mới dùng lò cảm ứng dần dần được thay thế các phương pháp truyền động. Trước hết chúng ta tìm hiểu sơ lược về công nghệ nấu thép trong nghành luyện kim. Nghành luyện kim ra đời từ rất lâu đời, 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 Máctanh đây là những lò đun bằng than củi. Ngày nay với sự sử dụng rộng rãi nguồn điện năng thì các phương pháp nấu luyện thép bằng điện đã chiếm ưu thế. Nấu thép bằng lò điện là phương pháp có thời gian nấu nhanh nhất và 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 một cách dễ dàng và có thể nấu 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… I. Lò điện trở. Là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt qua bức xạ đối lưu, truyền nhiệt và dẫn nhiệt nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại nấu và hợp kim mầu. Cấu tạo lò điện trở Hình 1 – 1 Tuỳ theo phương pháp nung ta có: Lò nung trực tiếp và lò nung gián tiếp. a. Lò nung trực tiếp. Loại này, dòng điện trực tiếp qua cuộn dây điện trở, trực tiếp nung chảy vật phẩm. Ưu điểm của loại lò này: nung vật phẩm được nhanh đều. Điều kiện làm việc dễ dàng. Khuyết điểm Vật nung phải có hình thù theo cuộn dây điện trở. Nếu hình thù quá phức tạp thì không thể nung được. b. Lò nung gián tiếp. Loại lò này truyền nhiệt bức xạ. Ưu điểm nung tất cả các vật phẩm có hình thù khác nhau. Nung đều hơn so với lò nung trực tiếp. Khuyết điểm: Không nung được những vật to và dài. Trong quá trình làm việc của lò điện trở là quá trình phức tạp, dây đốt không bao kim loại. II. Lò điện hồ quang: Là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng thông qua hồ quang điện, dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao. Cấu tạo lò điện hồ quang gồm: Vỏ lò: được làm bằng thép, mặt trong xây bằng vật liệu chịu lửa (1), 3 điện cực làm bằng cácbon hoặc grafit (3) theo chiều thẳng đứng để điều chỉnh hồ quang, phế liệu được đưa vào theo cửa 4, thép luyện xong được rót qua máy (cửa) (5). ( Hình 1- 2). Tuỳ theo cách cháy của ngọn lửa hồ quang mà lò hồ quang được chia làm: a. Lò hồ quang xung nóng trực tiếp: Là lò hồ quang điện chảy giữa điện cực và nguyên liệu rắn chất ở trong lò, nghĩa là nguyên liệu nhân nhiệt năng thông qua hồ quang và năng lượng đó truyền từ điện cực xuống các vật kim loại làm nóng chảy chúng. Các điện cực được bố trí thẳng đứng, loại lò này dùng để nấu thép vì có nhiệt rất cao. Hồ quang toả ra trực tiếp trên nguyên liệu rắn vì vậy bảo vệ được gạch chịu nóng cửa nắp lò không bị cháy. 3 Hình 1-3 2 4 5 1 Hình 1-2 Khuyết điểm: không dùng để nung được vì nhiệt độ quá cao, không đồng đều. Do nhiệt độ cao nên các khí H2, N2 hoà tan vào thép lỏng cũng nhiều đồng thời các nguyên tố có lợi bị bay hơn cũng nhiều. b. Lò hồ quang nung nóng gián tiếp. Là lò hồ quanh chảy giữa các điện cực, cách nguyên liệu một khoảng nhất định. Nhiệt được truyền do bức xạ lên đỉnh lò, thân lò và kim loại, các điện cực được bố trí theo chiều ngang . Ưu điểm: Điện cực bé, chế độ dòng điện tương đối ổn định nên hồ quang chảy đều không đoản mạch và dòng hồ quang không đứt quãng. Các khí xâm nhập vào kim loại ít, các chất có lợi bay khỏi cũng ít vì nhiệt độ lò không cao. Khuyết điểm: Thường lò luôn nóng hơn kim loại do vậy không tận dụng hết khả năng cấp nhiệt cho vật liệu. Xỉ nguội hơn kim loại do đó tác dụng xỉ kém, nên vấn đề khử ôxy trong kim loại là khó khăn. III. Lò cảm ứng (lò tần số) Là loại lò điện làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cho dòng xoay chiều đi qua cuộn dây cảm ứng, năng lượng truyền từ nguồn điện tần số qua vòng dây cảm ứng biến đổi thành năng lượng trường điện từ. Nhờ năng lượng của trường điện từ mà nguyên vật liệu chứa trong lò (kim loại) sẽ xuất hiện dòng điện xoáy sinh ra lò nung nóng kim loại. Lò cảm ứng thông dụng hiện nay là loại lò không lõi sắt, loại này phần lớn dùng để nấu kim loại. Đặc điểm của loại lò này là từ trường cuộn dây cảm ứng được dẫn thẳng vào khối kim loại cần gia nhiệt. Tại đây sinh ra dòng điện hỗ cảm. Đặc trưng của dây dẫn cao tần là có cảm kháng đặc biệt lớn do hiệu ứng bề mặt hỗ cảm và chúng phụ thuộc vào tần số, dây dẫn của cuộn cảm trong lò cảm ứng thường là thanh cái phẳng, ống rỗng làm mát bằng nước. 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 và các phần tử bán dẫn và mạch điều khiển điện tử nên quá trình đơn giản và điều khiển dễ dàng hơn tin cậy hơn, nhìn chung được sử dụng để : - Nấu luyện kim loại và các hợp kim ( các loại thép có chất lượng cao ) - Nhiệt luyện các chi tiết ( kể cả hoá nhiệt luyện ) - Nung kim loại trước khi gia công nóng( cán, rèn thép, kéo dây, kéo sợi ) - Nung điện môi * Ưu điểm cơ bản của lò cảm ứng là: - Nung nhanh, tốc độ nung lớn - Quán tính nhiệt nhỏ - Có thể nung trong chân không và nung bề mặt - Dễ cơ khí hoá và tự động hoá - Lao động hợp vệ sinh. 1. Vậy lò cảm ứng có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào mà lại có được ưu việt như vậy? Thực chất cấu tạo của lò cảm ứng cũng đơn giản như một số lò điện khác. Ta nghiên cứu một loại lò cảm ứng đó là ( lò cảm ứng kiểu kênh ). * Định nghĩa : Lò cảm ứng kiểu kênh thực ra là một biến thế đặc biệt. Trong biến thế này, cuộn sơ cấp là cuộn cảm ứng của lò, còn cuộn thứ cấp là kim loại được nấu luyện nằm trong kênh. * Được cấu tạo bởi các phần chính sau: Bộ biến tần, cuộn cảm ứng, lớp lót, khung ( vỏ lò ), cơ cấu nghiêng lò. a) Bộ biến tần : Phần này em xin đề cập đến ở các phần sau. b) Lớp lót : Lớp lót giới hạn không gian nấu luyện của lò. Độ bền cao lớp lót phải đảm bảo yêu cầu + Độ bền nhiệt lớn + Đảm bảo độ bền cơ học, hoá học ở nhiệt độ cao + Vật liệu làm lớp lót phải duy trì tính cách điện trong khoảng nhiệt độ tiến hành quá trình nấu luyện. c) Khung: Khung được chế tạo bằng vật liệu không từ tính (đồng, thép không từ tính ….) dùng để đặt các thiết bị phụ đỡ toàn bộ lò. Vỏ gồm hai phần : + Phần dưới dùng để đặt và giữ biến thế lò cũng như trong buồng đáy. + Phần trên là phần bao ngoài thân lò, có thể là hình trụ, hình bầu dục hoặc hình chữ nhật được chế tạo bằng thép nồi hơi 6 – 10mm. d) Cuộn cảm ứng : Cuộn cảm ứng là cuộn dây hình trụ quấn vòng theo toàn bộ chiều dài của lõi thép có hình bầu dục. Cuộn cảm được chế tạo bằng đồng, tiết diện tròn hoặc hình trữ nhật. Các cuộn tiết diện tròn chỉ dùng trong trường hợp khi đường kính không vượt quá 6mm. Nếu yêu cầu cần tiết diện dây lớn hơn thì dùng dây hình chữ nhật ( thường được làm mát bằng nước ). Cuộn cảm ứng nhận điện áp có tần số rất lớn : Vài trăm đến vài nghìn HZ. e) Cơ cấu nghiêng lò : Cơ cấu nghiêng lò có thể có tời điện, thiết bị lật và các trục quay ở gần miệng rót hoặc đi qua trọng tâm của bình lò. Hình vẽ cấu tạo chủ yếu của lò cảm ứng: 2. Nguyên lý về dòng điện trong lò cảm ứng : Ta đã biết một dây dẫn đặt trong từ trường biến thiên sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng: E = 4,44.ặm . f . n . 10-7 (V) Trong đó : n là số vòng cảm ứng. ặ: từ thông f: tần số dòng xoay chiều Sức điện động cảm ứng này càng lớn khi các đại lượng phụ thuộc: ặm, f, n càng lớn. Vậy nguyên lý làm việc cơ bản của lò điện cảm ứng không lõi ( giống máy biến áp lõi không khí), vòng cảm ứng tương ứng như cuộn dây sơ cấp máy biến áp, còn nguyên liệu nấu tương tự cuộn dây thứ cấp máy biến áp. Trong lò cảm ứng khi có dòng điện tần số cao đi qua các vòng dây cảm ứng (cuộn sơ cấp) thì khối lượng kim loại trong nồi sẽ sinh ra Sđđ cảm ứng E2 và dòng điện cảm ứng I2, nhờ suất hiện dòng I2 mà khối lượng kim loại đó được nung nóng và đến một lúc nào đó bị chảy ra. Mặt khác ta có năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W W = I2 . n2 . 2p . ( d/ h ). Với I : cường độ dòng điện trong cuộn cảm n : số vòng dây cảm ứng d : đường kính nồi lò ( cm) h : chiều cao kim loại trong lò ( cm ) m : Độ từ thẩm r : điện trở suất mẻ liệu ( Wm ) Như vậy năng lượng chuyển thành nhiệt trong mẻ liệu tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện. Khi số vòng ít và cường độ dòng điện lớn thì cuộn cảm ứng được nung nóng mạnh hơn. Hay khi trong vòng cảm ứng có dòng điện cao tần biến đổi chạy qua thì bên trong vòng cảm ứng sẽ xuất hiện từ trường biến đổi. Nguyên liệu lò ( kim loại ….) do đó các đường sức từ biến đổi xuyên qua bên trong nên cảm ứng sinh ra điện thế biến đổi có giá trị được tính theo định luật cảm ứng điện từ. E2 = 4,44 . f . n2 . ặm. Trong đó : + E2 : trị số điện thế cảm ứng có ích của nguyên liệu nấu + f : tần số dòng điện biến đổi chạy qua vòng cảm ứng + n2 : Số vòng của cuộn dây thứ cấp (1 cục kim loại tương đương với một vòng) + ặm : Trị số lớn nhất của từ thông biến đổi. Vì kim loại là một mạch khép kín, nên điện thế cảm ứng ngày bị đoản mạch và tạo ra dòng điện đoản mạch thường được gọi là dòng điện phu cô ( làm nóng khối kim loại ), trị số được tính theo công thức : I 2 = + r2 : Điện trở đường vòng kín do nguyên liệu lò ( kim loại ) hình thành. + x2 : Điện kháng được quyết định do số từ lọt do kim loại hình thành Do trị số r và x của kim loại nói chung đều tương đối nhỏ cho nên sẽ tạo thành dòng phu cô rất mạnh, có thể làm cho kim loại nóng lên đến mức chảy ra trong một thời gian ngắn. Bây giờ ta xét quá trình nấu thép diễn ra trong lò và sự thay đổi đặc tính của thép. Công suất của lò trong đồ án là 15KW tương ứng với mỗi mẻ nấu được khoảng 15Kg thép trong quá trình nấu như sau. Khi chất mẻ liệu vào lò và bắt đầu nấu thì phần thép ở giữa bị sụt xuống và bị nóng chảy, phần thép ở xung quanh gần áo là bị nóng chảy trước, sau đó phần thép ở giữa sụt xuống và bị nóng chảy và cuối cùng thép chảy thành chất lỏng, ta rót thép ra và lại cho mẻ khác vào và cứ như vậy trong lò luôn có sự biến động hay nói cách khác tải của bộ biến tần luôn thay đổi. Đặc tính của thép trong quá trình nấu như sau: m, r 1 2 m r O T 7800 10000. Hình 1-5: quan hệ m ( T0 ) và r( T0) m: là độ từ thẩm của thép r: là điện trở suất của thép (Wm ) Nhìn vào đặc tính ta thấy khi nhiệt độ còn thấp thì r rất nhỏ độ từ thẩm m lớn, khi đó thép có tính điện cảm rất lớn. Trong khoảng từ 7800 đến 10000 (đoạn 1, 2) thì thép bắt đầu chảy ra khi đó m giảm mạnh và r tăng nhanh ta nói đây là sự biến động của m và r. Khi thép chảy lỏng thì thép sẽ mất hết từ tính chỉ còn lại r tức là chỉ có tính điện trở. Như vậy khi thiết kế bộ biến tần cho lò cảm ứng ta phải thấy tải có tính chất cảm kháng và tải có sự biến động rất lớn. Mặt khác khi thép bắt đầu chảy thành lỏng hoàn toàn thì lúc này coi tải ngắn mạch. Qua tham khảo một số tài liệu em có vài một số nhận định sơ bộ để tiến hành khảo sát nghiên cứu và thiết kế phần nghịch lưu. * Đặc điểm công nghệ nấu thép bằng lò cảm ứng : Trong quá trình nung nóng thép sẽ bị thay đổi điện trở suất r và mật độ từ thẩm m, trong các lò nấu thép còn diễn ra sự thay đổi hình dạng của vật thể bị nung, mức độ thay đổi các thông số của hệ thống cuộn cảm ứng sự thay đổi các thông số ở các thiết bị nấu thép diễn ra rất phức tạp, vì nó liên quan đến sự thay đổi hình dạng của vật thể cần nung nóng. Trong quá trình nấu chảy, có thể chia thời gian nấu chảy thành 3 giai đoạn sau: * Giai đoạn 1 : Khi cho mẻ liệu vào lò và nung mẻ liệu từ nhiệt độ ban đầu chú ý thời gian mới chạy lò, tường lò còn nguội cần nâng nhiệt độ chậm tránh gây hư tường lò do hiệu ứng nhiệt, đến nhiệt độ 700 á 8000C vật liệu lò có dạng hình cục hay thỏi đúc, hình dạng vật nung ở giá trị đoạn này không biến đổi. Trường điện từ ở khe giữa các cục rời, vì mẻ vật liệu có bề mặt phát triển và trị số m lớn nên tiêu thụ công suất đạt giá trị cực đại. * Giai đoạn 2 : Nung mẻ vật liệu từ 8000C đến nhiệt độ 1000 á 11000C. Thép có thể ở tại thời điểm này bị nấu chảy thành một thể chung độ từ thẩm m, điện trở suất r tăng ít, trường điện từ không còn lọt vào bên trong vật liệu nữa. * Giai đoạn 3: Nung từ nhiệt độ nấu chảy vật liệu tới khi nóng chảy hết, ở đây có thể coi mẻ vật liệu như một thể liền khối (theo hình dạng nồi nấu). Khi đó kim loại chuyển dần sang trạng thái lỏng, điện trở suất r tiếp tục tăng còn khe hở giảm đi do nồi được điền đầy kim loại lỏng. Đối với nấu thép trước khi ra lò phải khử ôxy theo tỷ lệ công nghệ, sau khử xong phải ra thép ngay. Khi ra nồi để lặng nước thép 1 phút rồi rót vào khuôn, chú ý gạt xỉ trên bề mặt, rồi rót thép phải được nung đỏ 700 đến 8000C. Lò cảm ứng là thiết bị biến tần tải tĩnh, biến đổi năng lượng điện xoay chiều tần số công nghiệp thành năng lượng điện một pha xoay chiều có tần số cao, thiết bị này thích hợp để nấu luyện kim loại đen và kim loại mầu, nhiệt độ nấu cao có thể đạt đến 16000C. Tần số điện năng do thiết bị cấp ra có thể tự động bám sát theo tải để điều chỉnh tần số sang, vì vậy hệ số công suất tương đối cao, toàn bộ thiết bị ít phần chuyển động nên có tuổi thọ cao, hiệu suất nấu luyện cao, thao tác thuận tiện và đơn giản. IV. Kết luận: Qua việc phân tích nguyên lý làm việc, sự truyền nhiệt, ưu điểm và nhược điểm của từng loại lò điện trong suốt quá trình nấu luyện, kết hợp với số liệu của đề tài, em chọn đề tài lò tần số vì nó có nhiều ưu điểm nổi trội hơn cả. Theo tần số làm việc: + Lò cảm ứng tần số công nghiệp lấy điện từ lưới hoặc qua máy biến áp. + Lò trung tần với tần số làm việc nhỏ hơn 10.000 HZ, dùng Tiristor. + Lò cao tần với tần số làm việc lớn hơn 10.000 HZ Theo phạm vi sử dụng: + Lò nấu chảy kim loại và hợp kim. + Lò nung phôi cho rèn, dập, cán + Lò tôi bề mặt + Lò nung sấy chất điện môi và bán dẫn. Tính chất tải của các lò nấu thép có tính chất biến động rất lớn: + Tải có tính chất điện cảm ( đoạn 0 á 1 ; hình 1 – 5 ) + Tải có sự biến động nhiều ( đoạn 1 á 2; hình 1 – 5 ) + Tải có tính chất ngắn mạch ( khi thép bị chảy hoàn toàn ) Theo số liệu của đồ án tần số ra f = 12000 HZ. Do vậy em chọn lò nấu thép theo phương pháp cảm ứng trung tần để làm tải cho bộ nguồn nghịch lưu ( bộ biến tần ) Chương II Phân tích, lựa chọn và thiết kế mạch nghịch lưu I. Sơ đồ khối bộ biến tần cấp cho lò nấu thép: Trong lĩnh vực biến đổi năng lượng điện rất nhiều trường hợp phải thực hiện quá trình biến đổi nguồn điện một chiều thành điện áp thành dòng điện xoay chiều có thể điều chỉnh được giá trị và tần số của dòng hoặc áp xoay chiều đầu ra, có một số thiết bị biến đổi thực hiện nhiệm vụ này, nhưng phổ biến nhất là các bộ biến đổi một chiều – xoay chiều sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển còn gọi là sơ đồ nghịch lưu. Sơ đồ khối như hình 2 – 1 . Hình 2-1 * Khâu I: Là bộ chỉnh lưu nó làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều lưới điện có tần số cố định f1 và điện áp không đổi U1 thành điện áp 1 chiều Ud. * Khâu II: Là khâu lọc, nó có tác dụng tạo ra nguồn cung cấp cho bộ biến đổi 1 chiều ( bộ nghịch lưu ) có tính chất nguồn áp Ud = const hoặc có tính chất nguồn dòng Id = const. * Khâu III: Là bộ biến đổi 1 chỉều – xoay chiều, đầu ra của nó ta thu được điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có giá trị và tần số điều chỉnh được. Các sơ đồ bộ biến đổi 1 chiều – xoay chiều có thể sử dụng các dụng cụ bán dẫn là Tiristo hoặc Transitor. Đề tài của em là thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn lò nấu thép. Đây là một ứng dụng khá quan trọng của bộ biến đổi 1 chiều – xoay chiều, có rất nhiều kiểu sơ đồ nghịch lưu khác nhau, để phân loại chúng. Dựa vào tính chất nguồn cung cấp, số pha của các đại lượng ra, đặc trưng của thiết bị chuyển mạch, đặc tính của phụ tải, kiểu sơ đồ, dụng cụ bộ biến đổi, sự kết hợp của một số đặc trưng trên v..v. ở đây với đề tài thiết kế nghịch lưu cho lò nấu thép, em dựa vào đặc tính của nguồn cung cấp và đặc tính phụ tải. Nguồn cung cấp cho nghịch lưu là nguồn một chiều lý tưởng được nắn từ nguồn lưới xoay chiều U1,f1 qua bộ chỉnh lưu sau đó qua bộ lọc để có nguồn 1 chiều lý tưởng. Tải của lò nấu thép là tải có sự biến động mạnh từ lúc tải có tính chất điện cảm lúc bắt đầu nấu ở giai đoạn 1 cho đến khi thép chảy tải dần mang tính trở và cuối cùng chảy hoàn toàn thành một thể lỏng tải lúc này là tải ngắn mạch. Như vậy với đặc tính nguồn cung cấp cho nghịch lưu, em sử dụng bộ nghịch lưu độc lập và tính chất biến động rất lớn của tải : + Tải có tính chất điện cảm + Tải có sự biến động mạnh + Tải có tính chất ngắn mạch Em sử dụng nghịch lưu độc lập nguồn dòng cầu 1 pha để thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn lò nấu thép. II. Chọn phương án nghịch lưu : 1. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện một pha a) Tải có tính chất dung kháng: Ld Id + A T1 T3 + Ut - Ed a b Uv T2 (-) (+) T4 - K Nguồn cung cấp là nguồn điện một chiều E + Ld, nguồn dòng điện 1 chiều lý tưởng với giá trị Id. Tải Zt : có tính chất dung kháng : Ut chậm sau so với It một góc jt. Bộ biến đổi T1 á T4 có thể là van điều khiển hoàn toàn hoặc là van điều khiển không hoàn toàn. * Nguyên lý làm việc của mạch : Các tín hiệu điều khiển được đưa vào đôi T2, T3 một góc 1800, tức là phát xung điều khiển theo quy luật đóng mở các van sao cho biến đổi được dòng điện một chiều Id thành dòng điện xoay chiều hình sin trên tải đó là it và tần số hoàn toàn do mạch điều khiển quyết định, không phụ thuộc vào điện áp của lưới, và sau 1/ 2 chu kỳ lại có sự thay đổi cặp phát xung. Để xét sự chuyển mạch giữa các van ở thời điểm p: V1 đV3 và V4 đ V2 ta xét trước p một khoảng khắc: Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T4 thì T1 và T4 thông dòng điện tải khép mạch như sau: + Ed đ Ld đ T1 đ Zt đ T4 đ - Ed. Lúc này : it = Id > 0 thế ( + ) đặt vào a Ut = U > 0 thế ( - ) đặt vào b Như vậy Ut thông qua T1 đặt thuận trực tiếp lên van T2 và Ut thông qua T4 đặt thuận trực tiếp lên van T3 ị UT2 = UT3 = Ut > 0 Đến thời điểm p phát xung điều khiển vào gate của T2 và T3, hai van này được mồi thông, khi đó điện áp trên tải Ut thông qua T3 đặt ngược trực tiếp lên T1 và thông qua T2 đặt ngược trực tiếp lên T4: UT1 = Ut < 0 ị V1 và V4 khoá lại UT4 = Ut < 0 Thực hiện được chuyển mạch dòng điện từ : T1 đ T3 T4 đ T2 ị Đây là quá trình chuyển mạch giữa các nhóm van. Tương tự cho chuyển mạch giữa các nhóm van Tại 2p : T3 đ T4 T2 đ T4 Tại 3p : T1 đ T3 T4 đ T2 Các quá trình lập đi lập lại như vậy cho ta dòng điện tải hình chữ nhật như đồ thị : Từ đồ thị ta thấy: - Dạng dòng điện ra tải là dạng xung hình chữ nhật xoay chiều không phụ thuộc tải. - Dạng điện áp tải nhận được có dạng sin. - Dòng điện sớm pha hơn điện áp một góc j tải chính điều này tạo góc khoá cho van. Chuyển mạch dòng điện giữa các van là chuyển mạch tự nhiên, do đó các van V1 áV4 có thể chọn Thyristor thường, xung điều khiển cho Thyristor là xung đơn. Từ đồ thị : Uv Với Ut = U2.sinwt Khi jt > thì Ud < 0 nghĩa là mạch từ chế độ nghịch lưu độc lập sang chế độ chỉnh lưu điều khiển (năng lượng chuyển từ phía xoay chiều sang phía một chiều). Góc jt là thời gian đặt điện áp ngược lên Thyristor là thời gian để van khôi phục tính chất điều khiển. jtmin ³ 2pftq b. Tải có tính chất cảm kháng ( Dòng điện tải it chậm pha so với điện áp tải Ut một góc jt ) Ld Id + A V1 V3 Ut Ed a + - b Uv V2 ( - ) ( + ) V4 - K Nguồn cung cấp là nguồn một chiều lý tưởng E + Ld, nguồn dòng một chiều lý tưởng với giá trị Id, Bộ biến đổi V1 á V4 là van điều khiển hoàn toàn. * Nguyên lý làm việc của mạch : Các tín hiệu đưa vào cực điều khiển Gate của các cặp van V1, V4 và V2, V3 theo nguyên tắc lệch pha theo một góc 1800, tức là phát xung điều khiển theo quy luật đóng mở các van sao cho bộ biến đổi được dòng điện một chiều Id thành dòng điện xoay chiều có dạng xung hình chữ nhật, điện áp ra có dạng hình sin. Xét sự chuyển mạch dòng điện tại thời điểm p: V1 đ V3 V2 đ V4 Xét tại thời điểm trước p một khoảng khắc, giả sử V1, V4 đang thông: iV1 = i V4 = i t = id > 0 Ut < 0 thế (+) đặt vào b thế (-) đặt vào a Thế (-) thông qua V1 đặt ngược trực tiếp lên V3. Thế (+) thông qua V4 đặt ngược trực tiếp lên V2. Từ đồ thị ta thấy theo yêu cầu của dòng điện tải it = Id phải đổi dấu từ (+) sang (-) ở tại thời điểm p, như vậy V2 và V3 phải thông được ở tại thời điểm p, vì theo phân tích ở trên V2, V3 đang bị đặt điện áp ngược thông qua V1 và V4, muốn chuyển mạch cho V2 và V3 cần phải cưỡng bức khoá V1 và V4 trước p, như vậy chuyển mạch giữa các van là chuyển mạch cưỡng bức. Do đó các van V1 đến V4 là van điều khiển hoàn toàn ( điều khiển đóng và mở đều bằng xung điều khiển ). Khi V1 và V4 đã khoá, ta thấy có thời điểm cả 4 van đều khoá : UV1 = UV2 = UV3 = UV4 = Ed / 2 > 0, với điều kiện Ed > U2. Tại thời điểm p ta phát xung điều khiển mở cặp van V2 và V3 đ 2 van này sẽ thông thực hiện đảo chu kỳ dòng điện tải . Các quá trình lập đi lập lại sau mỗi chu kỳ cho ta đồ thị như hình vẽ : taỉ U t i t i wt jt jt jt o I Iv1 v1 wt o Uv1 wt o u u v = AK wt o Từ đồ thị ta thấy : - Dạng dòng điện ra tải cũng có dạng xung chữ nhật. - Dạng điện áp ra có dạng sin. Mạch không có thời gian để khoá van do đó phải chuyển mạch cưỡng bức. Chuyển mạch dòng điện giữa các van là chuyển mạch cưỡng bức do đó các van V1á V4 là van điều khiển hoàn toàn. Nếu sử dụng Thyristor thường thì phải đặt tụ song song với điện cảm để tạo ra tính chất tải dung kháng. Từ đồ thị Uv ta có : Uv = Ud = cosjt Do đó khi mà jt > p/2 thì Ud < 0 tức là đổi chiều điện áp trung bình đầu vào nghịch lưu. 3. Nghịch lưu cộng hưởng (song song) sơ đồ cầu 1 pha - Mạch cộng hưởng gồm: Các van V1 áV4 là các Thyristor điều khiển hoàn toàn hoặc không hoàn toàn. Tải gồm Z tải và L tải - Nguồn cung cấp ( Ed + Ld ). Tụ C có thể mắc song song hoặc nối tiếp với tải. * Nguyên lý làm việc của mạch : Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng là quá trình chuyển mạch giữa các van dựa vào hiện tượng cộng hưởng, giá trị điện cảm Ld thì không lớn nhưng nghịch lưu dòng (Ld = ∞) và không nhỏ như nghịch lưu áp (Ld = 0), mà chiếm một vị trí trung gian sao cho có sự kết hợp điện cảm tải ( Lt) và tụ điện C thì trong mạch xuất hiện hiện tượng cộng hưởng. Quá trình chuyển mạch xảy ra trong mạch qua các van được đặc trưng bởi quá trình phóng nạp của tụ điện tạo bởỉ nguồn cung cấp và các cuộn cảm có trong thành phần tải, quá trình phát xung vào các van V1, V4 và V2, V3 lệch nhau 1800 và sau mỗi chu kỳ được lặp lại. Khi các van Tiristo ở trạng thái thông, tần số dao động riêng của vòng cộng hưởng f0 và tần số của các xung kích Tiristor, với f0 > f, tần số dao động riêng của mạch tải : w0 = = 2pf0 = 2p. Tần số cộng hưởng : f0 = Chính vì thế quá trình dao động phóng nạp của tụ gần với quy luật Sin và kết thúc trước khi mở cặp van tiếp theo, trong thời gian đó sẽ không có dòng tải thời gian này là thời gian cần thiết để đóng toàn phần các cặp van trước đó, trước khi kích thông các cặp van tiếp theo. Tại t = 0, kích mở cặp van V1 đến V4, các cặp van này sẽ thông, tụ C được nạp: (+) đ Ld đ V1 đ Zt đ V4 đ (-), dòng nạp cho tụ sẽ có dạng sang hình sin ( vì mạch là dao