Đồ án thiết kế môn học điện tử công suất '' Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của lò tôi thép ''

Đồ án môn học điện tử công suất Phần I TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ VÀ U CẦU KỸ THUẬT CỦA LỊ TƠI THÉP I.Giới thiệu lị cảm ứng 1.1 Khái quát chung: Hiện công nghiệp luyện kim, luyện thép lò điện khâu quan trọng Các loại lò điện thường dùng - Lò điện trở - Lò hồ quang - Lò cảm ứng Trong lị cảm ứng ứng dụng rộng rãi, đăc biệt lị tơi tần số Trong lị này, ngun liệu nung nóng nhờ dịng điện xoay chiều với tần số cao nhờ vào hiệu ứng dịng Fucơ 1.2 Lị tơi cao tần: -Tơi thép nung nóng thép đến nhiệt độ cao biến đổi pha, hãm nhiệt độ làm nguội nhanh với tốc độ lớn tốc độ tới hạn -Mục đích q trình tơi thép: + Nâng cao độ cứng (HRC) bề mặt, độ bền tính mài mịn thép + Đạt phối hợp tốt tính chất khí khác Tơi tần số cao (tôi cảm ứng) phương pháp công nghệ tiên tiến, chủ yếu dùng để bề mặt, cho phép bề mặt đạt độ cứng tính mài mịn cao phương pháp tơi thơng thường, phần lõi đạt độ dẻo 1.2.1Nguyên lý làm việc: Đồ án môn học điện tử công suất Khi cho dịng điện có tần số cao chạy qua vòng dây dẫn( vòng cảm ứng ) tạo từ trường thay đổi mãnh liệt bên vòng dây.Vật cần đặt từ trường xoay chiều Sự bố trí cuộn dây cảm ứng chi tiết cần tơi coi máy biến áp Vòng cảm ứng cuộn sơ cấp nơi dòng điện vào cịn chi tiết cần tơi cuộn thứ cấp ngắn mạch.Chính điều gây dịng điện lớn chảy qua chi tiết tơi gọi dịng điện xốy ( dịng Fucơ) Nhờ vào hiệu ứng bề mặt mà dịng điện xốy chảy lớp bề mặt mỏng chi tiết tơi, nhờ hiệu ứng bề mặt mà tác dụng nung nóng dòng xoay chiều chảy chi tiết tăng lên nhiều Nhờ vậy, bề mặt chi tiết nung nóng đến nhiệt độ quy định thời gian ngắn Sau phương pháp làm nguội nhanh để có độ cứng bề mặt cần thiết Sự phân bố dịng điện chi tiết tơi tn theo quy luật: Một cách gần coi δ chiều sâu lớp có dịng điện chạy qua, chiều sâu lớp tơi tính theo cơng thức: Đồ án môn học điện tử công suất δ = 5030 ρ (cm) μ f đó: ρ : điện trở suất (Ω.cm) μ : độ từ thẩm f : tần số dòng điện (Hz) Năng lượng chuyển thành nhiệt khối liệu W W = I2.n2.2.л.(d/h) ( ρ.μ f 10 -9 ) I : Cường độ dòng cuộn cảm n : Số vòng cảm ứng d : Đường kính nồi lị (cm) h : Chiều cao kim loại lò (cm) μ : Độ từ thẩm ; ρ : Điện trở suất mẻ liệu (Ωcm) Như vậy, để tăng nhiệt lượng nung nóng chi tiết, ta tăng cường độ dịng điện tăng tần số dòng điện Thực tế, tăng dòng điện lớn gây hỏng vịng dây cảm ứng gây ngắn mạch nên ta thường chọn phương án tăng tần số để tăng công suất 1.2.2 Ưu điểm lị tơi tần số: • Có thể truyền lượng cho vật cần gia cơng nhanh chóng trực tiếp, không cần phải qua khâu trung gian nên tiến hành tự động hố mức độ cao Có thể gia nhiệt mơi trường trung tính, chân khơng cách dễ dàng • Trong cơng nghệ thép, người ta cần nung đỏ bề mặt chi tiết lên nhanh chóng, sau làm nguội lạnh nhanh để bề mặt chi tiết có độ cứng cần thiết mà bên chi tiết giữ độ mềm dẻo thép Khi gia nhiệt dòng điện cao tần, nhờ hiệu ứng bề mặt bề mặt chi tiết dược nung đỏ lên cách nhanh chóng chất lượng tơi cao Đồ án mơn học điện tử cơng suất • Vật tơi biến dạng lớp tơi mỏng • Có thể tơi chi tiết có hình dáng bề mặt • Là phương pháp tơi khơng tiếp xúc tiết tơi giữ • Dùng phương pháp gia nhiệt cao tần cho ta đạt suất lao động cao, giảm lao động cực nhọc phân xưởng rèn dập nhà máy chế tạo khí 1.2.3 Đặc điểm cơng nghệ tơi tần số: Trong q trình tơi thép lị tơi cao tần, độ từ thẩm điện trở suất thép thay đổi nhiệt độ thay đổi Tuy nhiên nhiệt độ đạt đến nhiệt độ Quire ( thép chưa chảy ) nên điện trở suất độ từ thẩm thay đổi không đáng kể Mặt khác tần số dòng điện lớn nên tôi, chiều sâu lớp thay đổi không đáng kể δ = 5030 ρ (cm) Hơn chiều sâu lớp μ f nhỏ so với đường kính vật tơi Do q trình tơi, vật tơi( tải) thay đổi khơng đáng kể có tính chất cảm Đồ án môn học điện tử công suất Phần II : ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Do đặc thù lị tơi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lưu pha cho phần nghịch lưu nguồn lị tơi thép Ta sét sơ đồ sau: Sơ đồ nghịch lưu áp pha: Đặc điểm: nguồn đầu vào nguồn áp, nên có tụ C (C-> ∞ ) mắc song song với điện trở nguồn Do nguồn trở thành nguồn hai chiều: phát lượng cho tải đồng thời tiếp nhận lượng tải trả ngược về, tích luỹ tụ C, thơng qua diode mắc song song ngược với van động lực Đồ án mơn học điện tử cơng suất Xét đồ thị hoạt động mạch: - Điện áp nghịch lưu có dạng xung vng chữ nhật, có tần số fN tạo nhờ đóng mở cặp van T1,T2 T3,T4 cách có chu kỳ: fN=fđk Do thay đổi tần số điều khiển fđk thay đổi tần số nghịch lưu fN tuỳ ý - Ưu nhược điểm: Đồ án môn học điện tử cơng suất • • • • • + Ưu điểm: Điều chỉnh tần số fN Các van chủ đạo sử dụng van điều khiển hoàn toàn dễ điều khiển đóng mở van + Nhược điểm: Số lượng van sử dụng nhiều Công suất biến đổi (BBĐ) phụ thuộc vào công suất van nên bị hạn chế UN có dạng xung chữ nhật nên khị phân tích Furie xuất nhiều thành phần sóng điều hồ bấc cao làm giảm hiệu suất BBĐ Sơ đồ nghịch lưu dòng pha: - Đặc điểm: Nguồn đầu vào nguồn dịng, nguồn nối nối tiếp với Ld (Ld -> ∞ ) nhằm san phẳng dòng đầu vào: Td = const - Dòng điện nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, có tần số fN tạo nhờ đóng mở cặp van T1,T2 T3,T4 cách có chu kỳ Do thay đổi fN theo tần số điều khiển fđk - Xét đồ thị hoạt động mạch: Đồ án môn học điện tử công suất - Ưu nhược điểm: + Ưu điểm: • Điều chỉnh đựơc tần số fN • Van sử dụng van Tiristor nên có cơng suất lớn nhiều so với sơ đồ (sử dụng van điều khiển hồn tồn) • Chỉ cần quan tâm đến vấn đề mở van, mở van cặp van làm cặp van đóng lại + Nhược điểm: • Khơng làm việc chế độ khơng tải • Dịng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật nên chứa nhiều thành phần sóng điều hồ bậc cao làm giảm hiệu suất BBĐ • Dạng điện áp góc khố β _ góc khố nghịch lưu thay đổi giá trị điện cảm đầu vào Ld thay đổi Cụ thể: o Ld= ∞ => id = Id= const, dịng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật Và có ut biến thiên hàm mũ góc khoá β max o Ld< ∞ đảm bảo id liên tục Lúc iN có dạng nhấp nhơ chứa sóng điều hồ bậc cao Dạng điện áp gần sine góc khố β giảm Đồ án môn học điện tử công suất o Ld< ∞ dịng bị gián đoạn Khi mạch xảy cộng hưởng L,C điện áp trở nên sine góc khố β Nghịch lưu cộng hưởng: * Ở nghịch lưu dịng (hoặc áp) dạng dịng điên iN (hoặc điện áp uN) có chứa thành phần sóng điều hồ bậc cao Vì làm giảm hiệu suất BBĐ Để tăng hiệu suất BBĐ ta xét nghịch lưu cộng hưởng * Do tải có tính cảm kháng ta phải đấu với tải tụ C để bù lại tính cảm kháng nhằm tạo cộng hưởng mạch Nhưng tải thay đổi liên tục q trình tơi, nên ta khơng thể thực bù đủ được, mà mạch tiệm cận tới dao động cộng hưởng Sau ta xét mạch dao động cộng hưởng bản: a, Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp: - Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, nghịch lưu phải nghịch lưu nguồn áp Ta xét sơ đồ cầu: • Sơ đồ sử dụng cộng hưởng nguồn áp nên làm việc chế độ khơng tải • Và cộng hưởng nối tiếp nên sơ đồ làm việc với tải biến thiên rộng thực tế sơ đồ sử dụng rộng rãi • Mạch sử dụng IGBT có tốc độ tăng dịng tăng áp nhỏ làm việc với tần số cao Đồ án mơn học điện tử cơng suất • Có phụ tải mạch dao động với dòng áp có dạng hình sin, tải thiết kế có tính chất điện dung thyristor sơ đồ chuyển mạch tự nhiên • Có thể tạo dịng điện, điện áp gần sin nên chứa thành phần sóng hài bậc cao • Dịng điện cảm ứng vật liệu sắt từ cung cấp lượng làm tăng nhiệt độ vật, không cần đến tiếp xúc nguồn nhiệt với vật bị nung Vì ta chọn sơ đồ để thiết kế phần nghịch lưu cho nguồn lị tơi thép *Xét hoạt động mạch: - Điện áp nghịch lưu dạng xung chữ nhật, dòng điện tải gần sine dòng điện vượt trước điện áp ( thực mồi chậm để chắn cặp van khoá mở cặp van khác) - Tại thời điểm θ = cho xung mở van T1,T2: dòng từ A-> B, tụ C nạp Khi tụ C nạp đầy dòng qua van T1,T2 giảm Nhưng tải mang tính cảm nên dịng giữ ngun chiều cũ nên khép mạch qua D3,D4 C0 Khi điện áp uc đặt lên T1,T2 làm chúng bị khoá chắn 10