thiết kế bộ điều chỉnh tần số và điện áp làm nguồn nhiệt

Trong công nghệ sản xuất cáp điện thì khâu gia nhiệt cho dây đồng chuẩn bị vào đầu chuốt là cực kì quan trọng, nếu gia nhiệt một cách khoa học và ổn định thì cáp sẽ có chất lượng tốt.. K

Trang 1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của các ngành khoa học kỹ thuật thì các phát minh, sáng chế đã và đang được áp dụng một cách phổ biến rộng rãi, phục vụ tốt hơn cho cuộc sống của con người

Trong công nghệ sản xuất cáp điện thì khâu gia nhiệt cho dây đồng chuẩn bị vào đầu chuốt là cực kì quan trọng, nếu gia nhiệt một cách khoa học và ổn định thì cáp sẽ có chất lượng tốt Nói tóm lại nó quyết định đến chất lượng của sản phẩm Việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào quá trình gia nhiệt đã tạo ra những ưu điểm rõ rệt, đó là nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm nhẹ cường độ lao động

Dưới đây em xin trình bày về một công nghệ mới được áp dụng tại các nhà máy sản xuất cáp điện, công nghệ sử dụng lò cảm ứng

Trong quá trình làm không thể tránh khỏi những thiếu sót, em mong thầy giáo góp ý và giúp đỡ để em có thể hoàn thành tốt hơn trong những lần sau

Em xin trân thành cảm ơn

Hải Phòng ngày 15/05/2006 Sinh viên

Phạm Thanh Tùng

Trang 2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA NHIỆT CHO

SẢN XUẤT CÁP ĐIỆN

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ gia nhiệt cho dây đồng chuẩn bị

vào đầu chuốt 2

1.1.1 Giới thiệu chung 2

1.1.2 Phân loại thiết bị gia nhiệt bằng tần số 2

1.2 Ưu nhược điểm của thiết bị gia nhiệt bằng tần số 5

1.2.1 Ưu điểm 5

1.2.2 Nhược điểm 5

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP LÀM NGUỒN GIA NHIỆT 2.1 Lý thuyết cơ sở về bộ điều chỉnh tần số và điện áp 6

2.2 Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ 6

2.2.1 Mạch biến đổi điện áp – tần số 7

2.2.2 Bộ điều chỉnh tần số 9

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC, SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, SƠ ĐỒ LẮP RÁP CHO HỆ THỐNG 3.1 Sơ đồ cấu trúc 11

3.2 Sơ đồ nguyên lý 11

Tài liệu tham khảo 15

Trang 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA NHIỆT CHO

SẢN XUẤT CÁP ĐIỆN

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ gia nhiệt cho dây đồng chuẩn bị vào đầu chuốt.

1.1.1 Giới thiệu chung

Trong công nghệ gia nhiệt nói chung có rất nhiều phương pháp

Phương pháp sử dụng hiệu ứng Juole (lò điện trở), phương pháp sử dụng phóng điện hồ quang,….Tuy nhiên ở nay ta đề cập đến một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong quá trình gia nhiệt cho dây đồng, đó là phương pháp nhờ tác dụng nhiệt của dòng xoáy Foucault thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ hay còn gọi là lò cảm ứng Trong công nghệ sản xuất cáp điện thì lò cảm ứng được sử dụng trong quá trình chuốt phôi

Khi ta đặt khối kim loại đồng vào trong một từ trường biến thiên thì trong khối đồng sẽ xuất hiện các dòng điện xoáy Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối đồng

Nhiệt năng truyền vào khối đồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Điện trở suất ρ và hệ số từ thẩm µ của đồng

- Cường độ từ trường H

Wnhiệt ≈ H2 ≈ I2

Thực tế không thể tăng mãi dòng điện để tăng cường độ từ trường vì vòng cảm ứng phải rất lớn và quá nóng, có thể nóng chảy

- Tần số dòng cảm ứng

Wnhiệt = f

1.1.2 Phân loại thiết bị gia nhiệt bằng tần số

Trang 4

Thiết bị gia nhiệt tần số có thể phân loại theo tần số làm việc hay phạm vi sử dụng

a) Theo tần số làm việc có:

- Thiết bị tần số công nghiệp lấy điện từ lưới hoặc qua máy biến áp

- Thiết bị trung tần với tần số làm việc 500 ÷ 10.000 Hz Thiết bị này thường dùng máy phát điện quay tần số cao hay dùng thyistor khi công suất nhỏ và vừa

- Thiết bị cao tần với tần số làm việc trên 10.000 Hz, thường dùng neon phát hoặc thyristor

b) Theo phạm vi ứng dụng có:

- Thiết bị tần số để nóng chảy kim loại và hợp kim

Lò cảm ứng loại này chia ra thành 2 loại là lò có lõi thép (lò máng) và lò không có lõi thép (lò nồi)

Lò máng dung lượng nhỏ và nhiệt độ thấp nên hay dùng để nấu chảy kim loại màu Lò nồi có dung lượng nồi càng lớn thì tần số càng giảm (để nóng đều giữa nồi) Dung lượng nồi có thể tới 10 tấn, làm việc ở tần số 50Hz, công suất 1500kW

- Thiết bị nung phôi cho rèn, dập, cán Phôi càng lớn thì tần số làm việc càng nhỏ

- Thiết bị tôi bề mặt thường làm việc ở tần số cao Lớp tôi càng mỏng thì tần số làm việc càng cao

- Thiết bị nung, sấy chất điện môi và bán dẫn

1.1.3 Sự truyền năng lượng trong phôi đồng

Năng lượng điện truyền từ nguồn điện, qua vòng cảm ứng, biến đổi thành năng lượng trường điện từ Trong phôi đồng, điện năng dòng xoáy cảm ứng được chuyển thành nhiệt năng

Trang 5

Khi truyền sâu vào trong phôi đồng, độ lớn của các véc tơ Evà H(2 thành phần của trường điện từ) bị giảm dần và năng lượng trường điện từ cũng giảm dần (theo độ sâu truyền Z)

Độ sâu theo chiều vuông góc với bề mặt phôi đồng được tính theo công thức:

δ = 503 µ1fγ , (m)

gọi là độ sâu thẩm thấu

trong đó µ là hệ số từ thẩm tương đối của đồng, µ = 1H/m

f là tần số dòng điện

γ là điện dẫn suất của đồng, ở 1000°C γ = 107 (1/Ωm)

Như vậy tần số càng lớn thì δ càng nhỏ và năng lượng điện từ càng tập trung đốt nóng lớp ngoài của phôi đồng

Để tiện tính toán, người ta hay dùng công thức tính toán theo số ampe – vòng Mật độ năng lượng tại mặt ngoài ( mặt phẳng) sẽ là:

S0 = 2.10-4 (IW0)2 ρµ f , (W/cm2)

trong đó I là dòng điện của cuộn cảm ứng, A

W0 là số vòng /cm chiều cao của cuộn cảm ứng

Do khối đồng có mặt ngoài là hình trụ nên ta phải thêm hệ số hình dáng ϕ vào công thức

Hệ số hình dáng là một hàm số của δ và bán kính vật gia công

δ = δ( 2)

δ

r

Và khi đó công suất thấm vào phôi đồng sẽ là

P = S0F, (W)

Trong đó F là diện tích bề mặt, (cm2)+

Trang 6

* Tần số dòng gia nhiệt phù hợp được chọn theo bề dày thấm tôi, nói chung δ tăng thì tần số giảm

Với lớp thấm tôi < 10 mm thì tần số gia nhiệt tối ưu là

ftối ưu = 63000δ2 , (Hz)

1.2 Ưu nhược điểm của thiết bị gia nhiệt bằng tần số

1.2.1 Ưu điểm

- Phôi đồng được truyền năng lượng một cách nhanh chóng và trực tiếp, không phải qua khâu trung gian nên có thể tự động hoá ở mức độ cao

- Có thể dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ thông qua quá trình điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra

- Tăng được năng suất lao động, giảm được lao động mệt nhọc

1.2.2 Nhược điểm

- Cấu tạo phức tạp, hệ số công suất thấp, các thiết bị của hệ thống yêu cầu độ chính xác cao

- Bị giới hạn ở tần số cao và công suất lớn, chỉ sử dụng ở lò trung tần, công suất nhỏ và vừa

Trang 7

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP

LÀM NGUỒN GIA NHIỆT

2.1 Lý thuyết cơ sở về bộ biến tần

Bộ biến tần là một thiết bị biến đổi năng lượng điện có điện áp u1, tần số f1 thành năng lượng điện có tần số f2 và điện áp u2

Người ta chia bộ biến tần thành 2 loại:

- Bộ biến tần trực tiếp

- Bộ biến tần gián tiếp

Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu trúc tổng thể như sau

Từ sơ đồ ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U1, f1) được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi được biến trở lại điện áp xoay chiều (U2, f2) Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần, Song bù lại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số

f2 không phụ thuộc vào f1 trong một dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển

2.2 Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ

Ta dùng bộ biến tần thyistor để gia nhiệt cho dây cáp đồng

Nó gồm 2 khâu cơ bản chính, đó là chỉnh lưu có điều khiển và nghịch lưu độc lập

a Chỉnh lưu có điều khiển

Là cầu chỉnh lưu 3 pha đối xứng, gồm 6 thiristor được nạp từ nguồn điện xoay chiều 3 pha hình sin

lưu

Trang 8

b Nghịch lưu độc lập

Là bộ nghịch lưu có kích thích độc lập, ở hệ thống điều khiển của nó có chứa một máy phát xung có dạng bất kỳ

Các nghịch lưu kích thích độc lập có độ ổn định và điều chỉnh tần số ra tốt, vì nó được xác định bởi một máy phát xung độc lập với tải và với điện áp nạp cho mạch lực

Có 2 loại nghịch lưu độc lập:

– Nghịch lưu áp

– Nghịch lưu dòng

Ở nay chúng ta sử dụng nghịch lưu áp

Do nhiệt độ của phôi đồng phụ thuộc vào tần số đầu ra của bộ gia nhiệt hay nói cách khác nó phụ thuộc vào thời điểm mở xung của T1 và T1

Ta sẽ đi thiết kế bộ điều khiển xung cho T1 và T2

2.2.1 Mạch biến đổi điện áp – tần số

Nguyên lý mạch biến đổi điện áp – tần số tạo nên tỷ lệ tuyến tính f1 ∼

U1 được trình bày ở hình vẽ trong đó gồm 3 khâu: mạch khóa, mạch tích phân và mạch so sánh, khoá chuyển mạch tạo nên điện áp

+ U1 và – U1 để đưa vào khâu tích phân , điều khiển khoá chuyển mạch đó là khâu so sánh có đặc tính từ trễ

Hình Nguyên lý mạch biến đổi điện áp – tần số

Trang 9

Thực tế có thể thực hiện mạch U/f bằng nhiều sơ đồ khác nhau, tuy vậy cần xác định chỉ tiêu: độ tuyến tính, vùng điều chỉnh trong đó tần số xung ra tỷ lệ tuyến tính với điện áp Sơ đồ sau đảm bảo các chỉ tiêu trên

Mạch gồm 3 KĐTT:

A1 là khâu tích phân, A2 là mạch so sánh có đặc tính trễ, A3 là khoá chuyển mạch

Khi điện áp U1 < 0 điện áp đầu ra A2 có giá trị âm, diode D3 khoá, vì vậy khâu tích phân có hai điện áp vào, ta có:

R

U R

1

1 1

1

−

2 1 1

1

C R

U

U =∫

0 < t ≤ T1

Khi điện áp tích phân đạt giá trị:

4 2

4 2 3

R R

R U U

+

−

=

Mạch lật A2 thay đổi giá trị từ âm sang dương lúc đó diode D3 thông, khoá A3 khoá vì vậy điện áp vào khâu tích phân chỉ đi qua 2R1 ta có:

Trang 10

dt

C R

U

U =−∫

1 1

1 3

2

T1 < t ≤ T1 + T2

Tại thời điểm t = T1 + T2 = T điện áp tích phân được tính:

4 2

4 max 2 3

R R

R U

U

+

= Mạch so sánh A2 lật giá trị dương sang âm diode D3 khoá, mở khoá cho A3 Quá trình được lặp lại Thời gian tích phân được tính:

1

1 1

1 1 4 2

4 max 2 2 1

4

U

K U

C R R R

R U

T

+

=

f T T T U K1

2 1 1

1 1

= +

=

4 2

4 max 2

R R

R U

K K

+

=

= Để đảm bảo độ chính xác mạch biến đổi cần phải thiết lập trên các linh kiện điện tử, tụ điện và KĐTT có độ chính xác cao

Đồ thị xung chữ nhật và tam giác là đối xứng vì ta chọn tỷ lệ điện trở

R1 và 2R1, ngoài ra để khóa làm việc chắc chắn phải chọn R1 > R5, kết quả ta có:

1 1 4 max 2

4 2 1

8

1

U C R R U

R R T

2.2.2 Bộ điều chỉnh tần số

Bộ điều chỉnh tần số có cấu trúc như hình vẽ, gồm bộ đếm đồng bộ

CS, bộ biến đổi D/A

Hình Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh rần số

Trang 11

Tần số đặt fw đưa vào bộ đếm CS làm tăng dung lượng đếm còn xung

đo lường thực tế fT đưa vào bộ đếm làm giảm dung lượng đếm Tuy vậy cần đặt thêm bộ lọc L để điều chỉnh dạng xung và loại trừ trạng thái không thực khi sai lệch tần số ∆f = fw – fT nhỏ, hai xung cách nhau một khoảng thời gian

∆t < tmin là thời gian tối thiểu để bộ đếm l+àm việc

Điện áp đầu ra bộ điều chỉnh UR được tính:

T

U

∆

=

= Trong đó

URO – giá trị thay đổi điện áp ra khi dung lượng bộ đếm một đơn vị

f∆ - sai lệch tần số giữa hai tín hiệu fw và fT

Như vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh xung là khâu tích phân:

t U p

p f

p

=

∆( )

) ( Khi fw = fT thì hệ thiết lập trạng thái ổn định, điện áp ra đạt giá trị điều khiển tương ứng với lượng đặt yêu cầu

Trang 12

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC, SƠ ĐỒ NGUYÊN

LÝ, SƠ ĐỒ LẮP RÁP CHO HỆ THỐNG 3.1 Sơ đồ cấu trúc

Đây là sơ đồ công nghệ của hệ thống gia nhiệt bằng tần số cho phôi đồng trong quá trình chuốt

Trong đó:

BA: là máy biến áp

CL: là khâu chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều L: khâu lọc

NL: là khâu nghịch lưu điện áp

C.ư: vòng cảm ứng

PH: khâu hồi tiếp

3.2 Sơ đồ nguyên lý, sơ đồ lắp ráp.

3.2.1 Bộ biến rần

Trên hình vẽ là sơ đồ mạch lực của bộ điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình chuốt dây cáp

Lưới điện 3 pha, tần số 50 Hz đưa vào biến áp lò BA1 thông qua cầu dao CD Tụ C được dùng để chuyển mạch Lưới điện 3 pha, tần số 50 Hz

Trang 13

đưa vào biến áp lò BA1 thông qua cầu dao CD Tụ C được dùng để chuyển mạch Sơ đồ gồm một máy biến áp có điểm giữa ở phía sơ cấp, hai thyistor T1 và T2 có anot nối vào cực dương của nguồn nuôi E, thông qua hai nửa cuộn day sơ cấp máy biến áp Ở đầu vào, người ta đấu nối tiếp một điện cảm

Lđ để ngăn chặn tụ điện C phóng điện vào nguồn E khi chuyển mạch thyistor, và cũng để hạn chế đỉnh điểm của dòng điện ic khi khởi động Dây quấn sơ cấp máy biến áp được chia thành hai nửa đều nhau, mỗi nửa có n1 vòng Thứ cấp máy biến áp có một cuộn dây, n2 vòng

Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia nhiệt cho phôi đồng.

* Nguyên lý hoạt động

Khi cho xung điều khiển mở thyristor T1, điểm a được T1 nối với cực 0 của nguồn E Lúc này vc - va = u1 = E Do hiệu ứng của máy biến áp tự

Trang 14

ngẫu nên ta cũng có ve - vc = u1 = E Như vậy tụ C được nạp tới điện áp 2E, bản cực dương ở bên phải Bây giờ nếu cho xung điều khiển mở thyristor T2 thì nó sẽ đặt điện thế điểm e vào catôt của T1 làm cho T1 bị khoá lại, tụ C sẽ

bị nạp ngược để sẵn sàng khoá T2 khi ta cho xung điều khiển mở T1 lần sau Khối phát xung FX cấp các xung điều khiển T1, T2 lệch pha nhau 180° Khi đó cuộn thứ cấp biến biến áp BA2 có dòng xoay chiều mà tần số của chúng phụ thuộc vào nhịp điệu phát xung điều khiển mở thyristor T1, T2, cấp cho các cuộn cảm ứng 1CƯ và 2CƯ có thể điều chỉnh số vòng bằng tay

Ở đây ta thấy bộ phận quan trọng nhất của sơ đồ là bộ phát xung Thời điểm phát xung điều khiển 2 thyistor làm việc quyết định đến tần số điện áp đầu ra của hệ thống

3.2.2 Vòng cảm ứng

Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷ 30% công suất hữu ích của thiết bị Do vậy cần làm mát vòng cảm ứng

Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5 A/mm2 Làm mát bằng nước chảy trong vòng cảm ứng rỗng thiết diện tròn, ovan hay hình chữ nhật cho phép mật độ dòng điện tới 50 ÷ 70 A/mm2 Dây dẫn làm vòng cảm ứng có thể rỗng vì dòng cao tần chỉ phân bố ngoài phía dây

3.2.3 Tụ điện

Tụ điện dùng trong sơ đồ của thiết bị gia nhiệt tần số nhằm làm chức năng mở và khoá van biến đổi, phân ly dòng 1 chiều

Các tụ này phải là tụ chịu điện áp cao (tới 1000V) và chịu tần số cao (tới 10kHz) phụ thuộc vào kích thước phôi đồng

3.2.4 Các công tắc tơ

Trong thiết bị gia nhiệt cao tần, các công tắc tơ đang dùng là công tắc

Trang 15

tơ cao tần 2 cực chịu điện áp 1600V và tần số từ 500 ÷ 10000 Hz Ở mỗi cực có 2 tiếp điểm: tiếp điểm chính và tiếp điểm dập hồ quang

Tiếp điểm dập hồ quang đặt trong buồng dập hồ quang và có lưới, có cuộn dây phụ để thổi từ trường Mỗi cặp tiếp điểm được nối song song với nhau Khi đóng mạch, tiếp điểm dập hồ quang đóng trước rồi đến tiếp điểm chính Khi ngắt mạch thì ngược lại: tiếp điểm chính mở trước rồi đến tiếp điểm dập hồ quang

3.2.5 Dây dẫn cao tần

Đặc trưng của day 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 cao tần thường là thanh cái phẳng, ống rỗng có nước làm mát, cáp đồng trục cao tần hay cáp một ruột, nhiều ruột thông thường

Cáp đồng trục có trở kháng và cảm kháng nhỏ so với các loại day dẫn khác nhưng nó có cấu tạo phức tạp và tốn vật liệu hơn

Hiện nay, đã có những cáp lực cao tần đặc biệt chịu dòng tới 500A, tần số 10 kHz và điện áp tới 2kV

Trang 16