điện tử công suất.thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng trung tần từ 500 – 100.000 hz

Chương 1:Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật 1.1 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 trung tần. 1.2 ứng dụng và ưu nhược điểm: 1.2.1. Ứng dụng khi sử dụng lò tôi thép 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. 1.2.2 Nhược điểm Page 1 - 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. 1.3. Tính chất công nghệ: 1.3.1 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 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 = I 0 .sin(ωt) Trong cuộn cảm xuất hiện một suất điện động tự cảm: e = -L = -ωLI0 0 cos(ωt) 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 = ωLI0 0 cos(ωt) = ωLI0 0 sin(ωt+π/2) => u = U 0 sin(ωt+π/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 π/2. Page 2 dt di 1.3.2 Quá trình truyền năng lượng trong lò. - 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=e 0 E : điện cảm,[C/ m 2 ]; E – cường độ điện trường, [V/m] j =γE = E/р - mật độ điện dẫn r=1/γ- điện trở suất của kim loại γ- 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: Page 3 t D ∂ ∂ t B ∂ ∂ Q P 2 2 + γδ δ 2 0 2 2 e HP z− = trong đó δ - bề dày thẩm thấu H 0 – cường độ từ trường ở bề mặt kim loại. 1.3.3 Giới thiệu về công nghệ tôi bề mặt. - 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: δ=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: S T = BdH [J/m 3 ] Page 4 γδ δ 2 0 2 2 e H i Q z− = ÷ f µ ρ 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 xâm 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 (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 700 0 C: f 2 1 = δ [cm] Trên 800 0 C: f 60 2 = δ [cm] Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f =30000 Hz, nhiệt độ nung thay đổi từ 20 ÷ 100 0 C thì ρ thay đổi từ 10.10 -6 ÷ 130.10 -6 ( Ω .m) và µ thay đổi từ 0,6 ÷ 1(H/m). Khi đó lớp thấm tôi cũng thay đổi δ =0,2 ÷ 6(mm). Với công suất tôi là 50 kW 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 Page 5 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. 1.3.4. Chiều sâu lớp tôi. 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 =30000 Hz 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/m 2 ). 1.4. Xác định khoảng thời gian nung. 1.4.1.Xác định khoảng thời gian nung giai đoạn một. Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng δ 1 trong giai đoạn này thường nhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt ( ≈ δ 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: Trong đó: ϑ = t-t đ , nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu t đ , ( 0 C) λ - 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 - là khoảng cách kể từ bề mặt, (m) τ - thời gian, (s) Page 6 τ λ τ ϑ a x ierfc aq x 2 2 = q - công suất riêng ( nhiệt suất tạo ra trong chi tiết trên một đơn vị bề mặt của nó), (W/ m 2) iercf(z) – ký hiệu tích phân hàm Krampa Khi đó nhiệt độ trên bề mặt (x=0) tính theo công thức sau: π τ λ ϑ aq M 2 = Từ đó thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn một được tính là: 2 2 2         = qa ϑλπ τ 1.4.2. Xác định 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 ≤ δ 2 ): ( ) ( )                   −         − −+         −         + += 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 Trong đó: ϑ Q = t- t Q là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri t Q , ( 0 C) δ 2 – chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, (m) Hàm F(z) tính như sau: F(z) = 2 1 2 1 1 2 z e z erfz z − +       + π erfz – Hàm Krampa theo z Khi đó: Page 7 Nhiệt độ tại bề mặt chi tiết (x=0) trong giai đoạn hai tính như sau:       −         = 1 2 2 22 τ δ λ δ δ a F q QM Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x= δ 2 ) tính như sau:       −         = 1 2 22 τ δ λ δ δ a F q QT Dựa trên các công thức này và bằng phương pháp gần đúng liên tục (cho giá trị τ , tính Q ϑ 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 của giới hạn trong lớp tôi. Cuối cùng thời gian nung tổng thể bằng tổng thời gian nung của giai đoạn một và hai. 1.5. 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 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: Page 8 Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng trung tần từ 500 – 100.000 Hz. Thiết bị trung tần bao gồm hai bộ phận chính là: nguồn phát trung tần và cuộn cảm ứng, ngoài ra còn có các bộ phận để làm nguội. + Nguồn phát trung tần có 2 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 – 100.000 Hz dùng chủ yếu để nung các chi tiết có kích thước trung bình. + 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 2: Tính chọn các mạch công suất. 2.1. Các mạch công suất đã biết và ưu nhược điểm Do đặc thù của lò tôi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lưu một pha cho bộ nghịch lưu của bộ nguồn lò tôi thép. Ta xét các sơ đồ sau: 2.1.1. Sơ đồ nghịch lưu áp một pha. Page 9 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: Page 10 [...]... dụng IGBT và có tốc độ tăng dòng cũng như tăng áp nhỏ do đó có thể làm việc với tần số rất cao Có phụ tải là một mạch dao động với dòng và áp có dạng hình sin, tải thiết kế có tính chất điện dung do đó các thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên Có thể tạo dòng điện, điện áp gần sin nên ít chứa thành phần sóng bài bậc cao Dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng lượng làm tăng... vòng cảm ứng: D = 20 + 5.2 = 30 (cm) −x δ Dòng điện từ bề mặt vào tâm giảm dần theo công thức: i=i.e δ : Khoảng cách từ bề mặt dây dẫn theo hướng tâm đến nơi có mật độ dòng điện giảm e = 2,71 lần so với mật độ dòng bề mặt Khoảng cách này gọi là chiều sâu thẩm thấu δ δ : Ω = 5030 ρ µf cm2/cm δ Với không khí : μ = 1 => = 5030 ρ f = 5030 180.10−7 30000 = 0,12(cm) 2.2.2 Tính điện trở của lớp dẫn điện bề... chỉnh lưu cầu và vi mạch ổn áp LM7815C: Page 35 Ngày nay việc áp dụng phương pháp tôi cảm ứng vào tôi thép đã trở nên rất phổ biến và việc ứng dụng điện tử công suất vào phơng pháp tôi cảm ứng cho chúng ta khả năng tự động hóa cao , dễ điều khiển… Nhờ sự giảng dạy , giúp đỡ tận tình của các thầy trong bộ môn Điện tự động công nghiệp và đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy Đoàn Văn Tuân sau một thời gian học... vật bị nung Vì vậy ta chọn sơ đồ này để thiết kế phần nghịch lưu cho bộ nguồn lò tôi thép * Xét hoạt động của mạch: Page 15 - Điện áp nghịch lưu dạng xung chữ nhật, dòng điện trên tải gần sin 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 θ = 0 cho xung mở van T1,T2: dòng đi từ A -> B, tụ C được nạp Khi tụ C được nạp đầy dòng. .. nghịch lưu cho bộ nguồn lò tôi thép Sơ đồ khái quát như hình vẽ: 2.2 Tính chọn các van bán dẫn công suất cho sơ đồ mạch 2.2.1 Tính toán các thông số lò tôi Số liệu đề bài: P = 50 kW fra = 30 kHz Page 19 Chọn số vòng cảm ứng bằng 3, đường kính dây ϕ = 8c, Chi tiết tôi là lõi hình trụ ϕ20, điện trở suất ρ Ω = 180.10-9 ( m2/m) φ20 5cm φ8 Khoảng cách giữa vòng cảm ứng và chi tiết tôi là 5 cm Như vậy, chiều... nguồn lò tôi thép” một đề tài ứng dụng nhiều trong thực tế Tuy nhiên do đây là lần đầu tiên làm đồ án nên không thể tránh khỏi sai sót , em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy để đồ án hoàn thiện hơn và có tính khả thi cao hơn Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo 1 Giáo trình điện tử công suất NXB KHKT năm 2000 – Nguyễn Bính 2 Phân tích và giải mạch điện tử công suất 2004 – Phan Quốc... 76.10−9 ) Ω Như vậy R” = 3,7.10-6 ( ), L’ = 1,06.10-7 (H) 2.2.5 Chọn mạch công suất phù hợp : Theo đề bài Ptôi = 50 kW, mà Ptôi = I2.R nên : I2 = Ptôi R 5.104 12, 03 = = 64,5 (A) Page 22 => I1 = I2 3 = 21,5 (A) Ta thấy công suất tôi của lò lớn, dòng tải lớn nên ta dùng sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp với máy biến áp cách ly phối hợp dòng: Sơ đồ mạch lực 2.2.6 Tính toán chọn van: Chỉnh lưu cầu 3 pha tạo... đổi từ áp sang tần (VCO) - Khối dò pha (Phase Detector): Bộ này có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu điện áp phụ thuộc vào hiệu số pha (hiệu tần số) của hai tín hiệu vào Page 32 - Bộ lọc thông thấp: dùng để lấy tín hiệu tấn số thấp, lấy ra điện thế DC Trong hệ thống này người ta thường dùng các bộ lọc qua bậc một để đảm bảo tính ổn định của hệ thống - Mạch VCO: có nhiệm vụ phát ra tần số tỉ lệ với điện. .. 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 C 0 Khi đó điện áp uc đặt lên T1,T2 làm chúng bị khoá chắc chắn - Tại thời điểm θ = θ 2 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... Lúc này iN có dạng nhấp nhô do o vẫn chứa các sóng điều hoà bậc cao Dạng điện áp gần sin hơn nhưng góc khoá β giảm đi o Ld < ∞ dòng bị gián đoạn Khi đó trong mạch có thể xảy ra cộng hưởng L,C điện áp sẽ trở nên sin nhưng góc khoá β là min 2.1.3 Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng * Ở nghịch lưu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điện iN (hoặc điện áp uN) đều có chứa thành phần sóng điều hoà bậc cao Vì vậy sẽ làm giảm . tải. - Cấu tạo của thiết bị: Page 8 Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng trung tần từ 500 – 100. 000 Hz. Thiết bị trung tần bao gồm hai bộ phận chính là: nguồn phát trung tần và cuộn cảm ứng, ngoài ra còn. Nguồn phát trung tần có 2 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 – 100. 000 Hz dùng chủ yếu. 1:Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật 1.1 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 trung tần. 1.2 ứng dụng và