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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ TÔI THÉP 1.1. Tổng quan về công nghệ lò tôi thép 1.1.1. Khái niệm Lò tôi cảm ứng là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dụa vào hiện tượng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần. 1.1.2. Tính chất công nghệ -Tính chất 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 các chi tiết bằng thép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản thân

THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: Đề số 51 Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép Yêu cầu công nghệ Thông số kĩ thuật Thiết kế bộ nghịch lưu trung tần P=75kW; f ra = 50kHz; U ra =400V Hải phòng, năm 2012 1 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ TÔI THÉP 1.1. Tổng quan về công nghệ lò tôi thép 1.1.1. Khái niệm Lò tôi cảm ứng là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dụa vào hiện tượng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần. 1.1.2. Tính chất công nghệ -Tính chất 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 các chi tiết bằng thép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản thân chi tiết. Xét 1 cuộn dây quấn xung quanh lõi thép, khi đặt vào 2 đầu của cuộn dây này 1 điện áp xoay chiều hình sin sẽ làm phát sinh 1 dòng điện có cường độ i đi qua cuộn cảm: i = I o .sin(ωt) (1.1) Trong cuộn cảm xuất hiện 1 suất điện động tự cảm: e = -L = -ωLI o cos(ωt) (1.2) Giả thiết điện trở R của cuộn cảm bằng 0, khi đó ta có định luật Ôm cho đoạn mạch sẽ là: u = R.i - e = ωLI o cos(ωt) = ωLI o sin(ωt+π/2) => u = U o sin(ωt+π/2) (1.3) Như vậy hiệu điện thế ở hai đầu cuộn cảm (không có điện trở) biến thiên điều hòa cùng tần số góc với dòng điện qua cuộn cảm và sớm pha hơn dòng điện π/2 2 dt di 2 -Để nghiên cứu quá trình truyền năng lượng điện từ từ nguồn điện vào thanh kim loại người ta sử dụng phương trình Macxoel trong trường điện từ: rot H = j + ; div H = 0; (1.4) rot E = - ; div E = 0; (1.5) Trong đó: B = mH : Độ từ cảm [T] H : Cường độ từ trường [H] D = e o E : Điện cảm [C/m 2 ] E : Cường độ điện trường [V/m] j = gE = E/r : Mật độ điện dẫn r = 1/g : Điện trở suất kim loại g : Điện dẫn suất của kim loại Qua biến đổi ta được năng lượng cung cấp cho kim loại: S = (1.6) Với: : Năng lượng cấp nhiệt cho kim loại. (1.7) : Năng lượng phản kháng. (1.8) H o : 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 tỏa ra rất lớn, nung bề mặt chi tiết với một tốc độ rất cao. Nhiệt lượng được phát sinh chủ yếu do 2 nguyên nhân: 3 t D ∂ ∂ t B ∂ ∂ Q P 2 2 + γδ δ 2 0 2 2 e HP z − = γδ δ 2 0 2 2 e H i Q z − = 3 +Xuất hiện dòng Fucô: Đây là các dòng điện khép kín (Có chiều ngược lại 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) (1.9) +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: S T = BdH [J/m 3 ] (1.10) S T 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 sâm nhập của dòng cảm ứng bị thay đổi do giá trị điện trở suất ρ và độ thẩm từ μ thay đổi theo nhiệt độ. Khi nung từ nhiệt độ thường tới nhiệt độ Quyri (7680 o C), điện trở suất tăng mạnh, còn độ 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 tháp 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: 4 f µ ρ 4 Dưới 700 o C: [cm] Trên 800 o C: [cm] Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f=50kHz, nhiệt độ nung thay đổi từ 20÷100 o C thì ρ thay đổi từ 10.10 -6 ÷ 130.10 -6 (Ωm) và μ thay đổi từ 60 ÷ 1(H/m). Khi đó lớp thấm tôi cũng thay đổi δ=0,22 ÷ 6,7(mm). Với công suất tôi là 75kW thì thích hợp cho việc tôi các vật có kích thước vừa và nhỏ khoảng φ20 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 chiều 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 50kHz cần lựa chọn thời gian nung tức tốc độ 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 nhiệm) 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/m 2 ). 1.2. Xác định khoảng thời gian nung 5 f 2 1 = δ f 60 2 = δ 5 1.2.1. Xác định thời gian nung giai đoạn một: Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng d 1 trong giai đoạn này thường nhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt (≈d 2 ) 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: (1.11) Trong đó: J = t-t đ : Nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu t đ [ o C] l : Hệ số dẫn nhiệt của kim loại [W/mK] a : Hệ số khuếch tán nhiệt (dẫn nhiệt độ) của kim loại [m 2 /s] x : 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/m 2 ] iercf(z) : Kí hiệu tích phân hàm Krampa Khi đó nhiệt độ trên bề mặt (x=0) tính theo công thức sau: (1.12) Từ đó thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn một được tính là: (1.13) 1.2.2. Xác định thời gian nung giai đoạn hai: 6 τ λ τ ϑ a x ierfc aq x 2 2 = π τ λ ϑ aq M 2 = 2 2 2         = qa ϑλπ τ 6 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 lớp tôi bề mặt. Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ như sau (với x≤d 2 ): (1.14) Trong đó: J Q = t - t Q : Là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri t Q [ o C] d 2 : Chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng [m] Hàm F(z) tính như sau: F(z) = (1.15) erfz : Hàm Krampa theo z Khi đó: Nhiệt đọ tại bề mặt chi tiết (x=0) trong giai đoạn hai tính như sau: (1.16) Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x=d 2 ) tính như sau: (1.17) Dựa trên các công thức này và bằng phương pháp gần đúng liên tục (cho giá trị τ, tính và t, nếu sai số lớn thì chọn lại τ và lặp lại phép tính) có thể tính thời gian nung từ điểm Quyri đến nhiệt độ tôi của bề mặt chi tiết và giới hạn 7 ( ) ( )                   −         − −+         −         + += 1 2 1 2 4 2 2 2 2 2 2 2 ττ λ δ δ δ δ δ ϑ a x Fx a x Fx q Q 2 1 2 1 1 2 z e z erfz z − +       + π       −         = 1 2 2 22 τ δ λ δ δ a F q QM       −         = 1 2 22 τ δ λ δ δ a F q QT Q ϑ 7 trong lớp tôi. Cuối cùng thời gian nung tổng thể bằng tổng thời gian nung của giai đoạn một và hai 1.3. Yêu cầu của công nghệ 1.3.1. Yêu cầu của thép được đem tôi 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. 1.3.2. 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. 1.3.3. Cấu tạo của thiết bị: Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng tần số cao từ 500 ÷ 500.000Hz. Thiết bị cao tần bao gồm hai bộ phận chính là: nguồn phát tần số vsf cuộn cảm ứng, ngoài ra còn có các bộ phận để làm nguội. -Nguồn phát tần số cao có các loại chính: +Máy phát tần số trung bình (500÷10.000Hz) dùng chủ yếu để nung sâu hoặc để nấu chảy kim loại +Máy phát tần số từ 10.000÷20.000Hz dùng chủ yếu để nung các chi tiết có kích thước trung bình với độ sâu thẩm thấu khoảng 0,1÷2mm +Máy phát tần số cao (200.000÷500.000Hz) dùng bóng bán dẫn để nung lớp mỏng bề mặt. 8 8 -Cuộn cảm ứng có nhiều loại, tùy thuộc vào hình dáng, kích thước của chi tiết, phương pháp nung như công suất của thiết bị và yêu cầu về năng suất cần đạt. 1.4. Phạm vi ứng dụng 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 khâu trung gian do đó có thể tiến hành tự động hóa sâu và hiệu suất cao. Đồng thời, do thời gian nung ngắn nên bề mặt sản phẩm không bị oxi hóa. -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 hóa 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 φ30) vì lõi không được hóa bền. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1. TRÌNH BÀY SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUÁT 9 9 Phát xung i u khi n kh i ngđ ề ể ở độ Chia xung Khu ch i s a xungế đạ ử Van m ch l cạ ự Khâu ph n h iả ồ 3.2. 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 f đk , xung này được đưa vào khâu chia xung để tạo ra xung có tần số bằng tần số của nghịch lưu f N . Sau đó, xung được phân ra 2 kênh để đi vào điều khiển 2 nhóm 10 10 [...]... 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: o Chọn cầu Diode chỉnh lưu loại 2KBP005 có các thông số như sau: Ung_D= 50 (V) ID = 2 (A) o Tranzitor loại ZTX300 và Diode loại 1N4448 có các thông số đã cho ở... bộ nguồn cho mạch điều khiển - Thiết kế nguồn một chiều có điện áp ra là ± 15V Ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu và vi mạch ổn áp LM7815C - Tính toán máy biến áp nguồn: + Điện áp thứ cấp của MBA nguồn lấy U2 = 18V + Công suất cấp cho 2 diode ổn áp MMSZ6VT1 là: PD_ổn áp= 2.1 = 2 (W) + Công suất biến áp xung cấp cho mạch điều khiển mở 4 van Trisistor PBAX= 4.3.100.10-3= 1,2 (W) 22 + Công suất cấp cho 2 tranzitor... 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... 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... 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 + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển ∆ Ux=0,2 V 15V 11 3.3.1 Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động - Ta cần tạo ra mạch phát xung điều khiển có tần số f... khiển nhỏ hơn nhiều chu kỳ phát xung nên công o 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: U I V max V max ≤ R 1 ≤ ββ E s I 1 2 CS 1 max trong đó: + Uvmax là điện áp lớn nhất van chịu được: Uvmax = 25 V + Ivmax là dòng điện lớn nhất van... hồi để tạo ra xung phù hợp cho vào khâu khuếch đại tạo xung 3.3.4 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... nguồn cung cấp: Ecs = 15V + s là hệ số bão hòa s= 1,2 – 1,5 lấy: s= 1,2 Từ đó ta đựơc: 25 ≤ ≤ 50 110 15 0,5 R 1,2 75 10 −3 1 50 => Chọn R1= 500 k o ≤ R1 ≤ Ω 917.103 ( ) Ω 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... mở Tristor là: fđk= 2fN= 2.50000 = 100000(Hz) Ta có chu kỳ xung của mạch là: T = 2.RC.ln  R  1 + 2 2   R1    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 Ω và R2= 0,86 k Ω 12 Khi đó: Chọn T= 2.RC = R=1 k Ω 1 1 = = 1.10−5 ( s ) = 10( µs ) f đk 100000 => C= 10 = 0,005( µF ) 2.103 Chọn khuếch đại thuật toán: do yêu cầu tạo... 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 . THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: Đề số 51 Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép Yêu cầu công nghệ Thông số kĩ thuật Thiết kế bộ nghịch. gian tôi, thời gian làm nguội +Đặc điểm của nguồn (tần số, biên độ, công suất ), môi chất làm nguội. 1.3.2. Đặc điểm của nguồn điện cấp cho lò tôi: Bộ nguồn nghịch lưu. 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. 1.3.3. Cấu tạo của thiết bị: Thiết bị tôi cảm ứng