giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật nghịch lưu lò tô

Trong những năm gân đây, sự ra đời và phát triển nhanh của các thiếtbị điện tử công suất, cùng với sự phat triển của xã hội đã tạo nên thay đổisâu sắc và toàn diện của ngành kỷ thuật điệ

Mục lục:

Lời nói đầu 2

Chương 1: Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật 3

1 Khái niệm 3

2 ứng dụng và ưu nhược điểm 3

3 Tính chất công nghệ 4

4 Xác định khoảng thời gian nung 8

5 Yêu cầu chất lượng, đặc điểm nguồn cấp và cấu tạo thiết bị 10

6 Đề xuất các phương án và lưa chọn phương án 12

7 Tìm hiểu về thysistor 20

Chương II: Tính toán mạch lực 26

1 Lựa chọn các van 27

2 Xét mạch bảo vệ van mạch lực tránh quá dòng áp 28

Chương III: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 29

I Nguyên lý mạch điều khiển 29

1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiến 29

2 Chức năng các khâu trong mạch điều khiển 29

II Tính toán thiet ke mach điều khiển 30

1 Tính toán khâu phát xung điều khiến khởi động 30

2 Tính toán khâu chia xung và phân kênh 32

3 Tính toán khâu khuếch đại sửa xung .33

kết luận 38

Tài liệu tham khảo 39

Trong những năm gân đây, sự ra đời và phát triển nhanh của các thiết

bị điện tử công suất, cùng với sự phat triển của xã hội đã tạo nên thay đổisâu sắc và toàn diện của ngành kỷ thuật điện nói chung va các ngành biến

đổi điện năng nói riêng

Các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngày càng thể hiện rõcác u việt nổi bật nh: kích thớc gọn nhẹ, độ tác động nhanh, làm việc ổn

định với độ tin cậy cao, gia thành hạ, cũng chính nhờ những u điểm đó màcác thiết bị bán dẫn dã và đang xâm nhập vào nhiều lĩnh vực nh:côngnghiệp dệt may, sản xuất, điện năng, sản xuất giấy, cùng với xu hớng ấy,các nhà máy luyện kim đã đa vào phơng pháp tôI thép mới và hiện đại đó làtôi thép bằng phơng pháp cảm ứng hay còn gọi là tôi tần số cao Công nghệtôi thép cảm ứng với khản năng tự động hoá cao, quá trìng điều khiển đơngiản, đảm bảo năng suất và chất lợng cua vật tôi đã và đang đợc ứng dụngtrong thực tế, cung cấp phần nào sản luợng thép đáp ứng nhu cầu ngời tiêudùng

Đối với sinh viên ngành tự đông hoá, Điện Tử Công suất là mộttrong những môn học quan trọng, không thể thiếu Để nắm vững kiến thứcbiết áp dung vào thực tế biến kiến thức của thầy cô thành kiến thức bản thân

và bắt đầu làm quen với đồ án tạo tiền đề cho đồ án tốt nghệp sau này

Trong kỳ này đề tài em đợc giao: “Thiết kế phần nghịch lu của bộnguồn cho lò tôi thép” là một đề tài không mới, có nhiều tài liệu tham khảo

và đề cập, tuy nhiên thực tế để hiểu sâu và phân tích thấu đáo các vấn đềcủa toàn bộ đề tài lại đòi hỏi ngời thực hiện một quá trình làm việc nghiêmtúc, miệt mài

Chơng i:

Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật

1 Khái niệm:

Lò tôi cảm ứng là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dựa vàohiện tợng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần.

- Có thể tiến hành gia nhiệt trong các môi trờng khác nhau nh môi ờng trung tính, chân không một cách dễ dàng

tr Do đặc điểm của phơng pháp mà chi tiết đem tôi có độ cứng bề mặtcần thiết trong khi vẫn giữ đợc độ dẻo thích hợp trong lõi đảm bảo đợc cácyêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với chi tiết đem tôi Mặt khác, lò tôi cảm ứng cóthể tôi đợc các chi tiết có hình dạng phức tạp mà các phơng pháp khó có thể

đáp ứng ví dụ nh các trục khuỷu, bánh răng, vấu

- Do có thể tự động hoá sâu mà năng suất lao động đợc nâng lên,

điều kiện lao động cũng đợc cải thiện

Tuy nhiên, nó cũng có những nhợc 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 30) vì lõi không đợc hoá bền

3 Tính chất công nghệ:

-Tính chất tải của lò cao tần là tải cảm:

Lò tôi cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tợng cảm ứng điện từ, gồmcác cuộn dây đợc cấp nguồn có tần số cao; khi cho tải đi qua là các chi tiếtbằng thép cần tôi thì chúng đợc nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trongchính bản thân chi tiết

này một điện áp xoay chiều hình sine sẽ làm phát sinh một dòng điện có ờng độ i đi qua cuộn cảm:

- Để nghiên cứu quá trình truyền năng lợng điện từ từ nguồn điện vàothanh kim loại ngời ta sử dụng phơng trinh Macxoel trong trờng điện từ:

trong đó: B=H : độ từ cảm,[T]; H – cờng độ từ trờng, [H]

D=0E : điện cảm,[C/ m2]; E – cờng độ điện trờng, [V/m]

j =E = E/ - mật độ điện dẫn

 - điện trở suất của kim loại

 - điện dẫn suất của kim loại

Qua biến đổi ta đợc năng lợng cung cấp cho kim loại:

2

2e H P

z





năng lợng phản kháng:





2 0

2

2e H i Q

z





trong đó bề dày thẩm thấu

H0 – cờng độ từ trờng ở bề mặt kim loại

- Phơng pháp tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần đợc dùng khá phổbiến trong các xởng nhiệt luyện Đây là một dạng nguồn nhiệt đợc sinh ratrong bản thân chi tiết nhờ dòng điện cảm ứng tập trung ở bề mặt Vì vậy,trong một lớp mỏng ở bề mặt lợng nhiệt toả ra rất lớn, nung bề mặt chi tiếtvới một tốc độ rất cao Nhiệt lợng đợc phát sinh chủ yếu do hai nguyênnhân:

+ Xuất hiện dòng Fucô: đây là các dòng điện khép kín ( có chiều

ng-ợc với chiều của dòng kích thích) do đó đng-ợc biến đổi hoàn toàn thành nhiệtnăng Trên thực tế, tần số đợc sử dụng để nhiệt luyện thờng từ 500Hz 

1MHz Tần số càng cao thì chiều sâu nung càng nhỏ Chiều sâu của lớpmỏng tiêu thụ 86,5% lợng nhiệt cung cấp đợc gọi là chiều sâu xâm nhậpcủa dòng cảm ứng, đợc tính bằng công thức:

c-ST= BdH [J/m3]

ST thể hiện lợng nhiệt đợc sinh ra trong một đơn vị thể tích vật liệu

d-ới tác động của điện từ trờng biến thiên

- Trong quá trình tôi, chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng bị thay

đổi do giá trị điện trở suất  và độ thẩm từ  thay đổi theo nhiệt độ Khinung từ nhiệt độ thờng tới nhiệt độ Quyri (7680C), điện trở suất tăng mạnh,còn độ thẩm từ gần nh không đổi Sau nhiệt độ Quyri điện trở suất tăngchậm lại, độ thẩm từ nhanh chóng giảm xuống tới =1, cờng độ nung giảm

Dới 7000C: 1  2f [cm]

Trên 8000C: 2  60f [cm]

Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f=10000Hz,nhiệt độ nung thay đổi từ 201000C thì  thay đổi từ 10.10-6130.10-6(m) và  thay đổi từ 601(H/m) Khi đó lớp thấm tôi cung thay đổi 

6,7(mm) Với công suất tôi là 45kW thì thích hợp cho việc tôi các vật cókích thớc vừa và nhỏ khoảng 20 cm với lớp tôi từ 0,5-6 mm nh các bánhrăng, trục khuỷu

Trong trờng hợp toàn bộ lớp tôi đợc nung bằng dòng cảm ứng, đảmbảo tốc độ nung cao; còn nếu chiều sâu lớp xâm nhập của dòng cảm ứngquá nhỏ so với chiếu sâu lớp tôi thì quá trình nung sẽ xảy ra chủ yếu bằngdẫn nhiệt với tốc độ thấp

Chiều sâu lớp tôi không những phụ thuộc vào tần số mà còn phụthuộc vào bản chất của vật liệu tôi, nhiệt độ nung và tốc độ nung trongkhoảng chuyển biến pha, nói chung ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri Để đảmbảo chất lợng lớp tôi với thông số đã xác định là tần số f=10000Hz cần lựachọn thời gian nung tức tốc độ nung phù hợp

Để xác định tốc độ nung, cần phải biết thời gian nung lớp kim loại ởkhoảng nhiệt độ đã cho Các phơng 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 giátrị trung bình q(W/m2)

4 Xác định khoảng thời gian nung

a, Xác đinh thời gian nung giai đoạn một:

Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng 1 trong giai đoạn này thờngnhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt (2) nhiều lần, nên có thể coi rằng nhiệtlợng sinh ra từ bề mặt đợc truyền vào trong bằng dẫn nhiệt Vì vậy sử dụngphơng trình mô tả quá trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt không đổi (từ bề mặt)

t-tđ , nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu tđ,0C

-hệ số dẫn nhiệt của kim loại, W/mK

a - hệ số khuếch tán nhiệt ( dẫn nhiệt độ ) của kim loại, m2/s

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 nh sau (với x2):

4

2 2

2 2

2 2

2 2

5 Yêu cầu chất l ợng, đặc điểm nguồn cấp và cấu tạo thiết bị

- Chất lợng của thép đợc đem tôi đợc đánh giá qua các thông số

Độ dày lớp đợc tôi, độ cứng, độ dẻo nó phụ thuộc vào nhiều yếu tốnh:

+ Đặc điểm của thép đem tôi: thành phần cacbon, hình dạng, kích ớc

th-+ Thời gian tôi, thời gian làm nguội

+ Đặc điểm của nguồn (tần số, biên độ, công suất ), môi chất làmnguội

- Đặc điểm của nguồn điện cấp cho lò tôi:

Bộ nguồn nghịch lu đảm bảo cung cấp đủ năng lợng cho lò khi có tảitức lúc đang tôi và phải đảm bảo làm việc đợc lúc không tải khi chi tiết đemtôi di chuyển hết ra khỏi ống vòng dây của thiết bị nung

Do đặc điểm làm việc của lò tôi là không tải thờng xuyên lặp lại nênnghịch lu đòi hỏi phải làm việc đợc ở chế độ không tải

- Cấu tạo của thiết bị:

Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng tần số cao từ 500 – 500.000 Hz.Thiết bị cao tần bao gồm hai bộ phận chính là: nguồn phát tần số và cuộncảm ứng, ngoài ra còn có các bộ phận để làm nguội

+ Nguồn phát tấn số cao có hai loại chính

1 Máy phát tần số trung bình (500 – 10.000 Hz) dùng chủ yếu đểnung sâu hoặc để nấu chảy kim loại

2. Máy phát tần số từ 10.000 – 200.000 Hz dùng chủ yếu để nungcác chi tiết có kích thơc trung bình với độ sâu thẩm thấu khoảng 0,1 – 2mm

3 Máy phát tần số cao (200.000 – 500.000 Hz) dùng bóng bán dẫn

để nung lớp mỏng bề mặt

+ Cuộn cảm ứng có nhiều loại, tuỳ thuộc vào hình dáng, kích thớccủa chi tiết, phơng pháp nung cũng nh công suất của thiết bị và yêu cầu vềnăng suất cần đạt

Đề xuất các phơng án và lựa chọn phơng án

Do đặc thù của lò tôi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lu một pha cho

phần nghịch lu của bộ nguồn lò tôi thép Ta sét lần lợt các sơ đồ sau:

1 Sơ đồ nghịch l u áp một pha

Đặc điểm: nguồn đầu vào là nguồn áp, nên có tụ C (C->) mắcsong song với điện trở nguồn Do vậy nguồn trở thành nguồn hai chiều:phát năng lợng cho tải đồng thời tiếp nhận năng lợng của tải trả ngợc về, đ-

ợc tích luỹ trong tụ C, thông qua các diode mắc song song ngợc với các van

Các van chủ đạo sử dụng là các van điều khiển hoàn toàn do đó dễ

điều khiển đóng mở các van

+ Nhợc điểm:

Số lợng van sử dụng khá nhiều

Công suất bộ biến đổi (BBĐ) phụ thuộc vào công suất của van nên

l u dòng một pha

- Đặc điểm: Nguồn đầu vào là nguồn dòng, do đó nguồn đợc nối nốitiếp với Ld (Ld -> ) nhằm san phẳng dòng đầu vào: Td = const

- Dòng điện nghịch lu có dạng xung chữ nhật, có tần số fN tạo ra nhờ

đóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ Do đó có thểthay đổi fN theo tần số điều khiển fđk

- Xét đồ thị hoạt động của mạch:

- Ưu nhợc điểm:

+ Ưu điểm:

Điều chỉnh đựơc tần số fN

Van sử dụng là van Tiristor nên có công suất lớn hơn rất nhiều sovới sơ đồ trên (sử dụng van điều khiển hoàn toàn)

Chỉ cần quan tâm đến vấn đề mở van, vì khi mở van cặp van này sẽlàm cặp van kia đóng lại

o Ld< nhng vẫn đảm bảo id liên tục Lúc này iN có dạng nhấpnhô do vẫn chứa các sóng điều hoà bậc cao Dạng điện áp gần sine hơn nh-

ng góc khoá  giảm đi

o Ld< dòng bị gián đoạn Khi đó trong mạch có thể xảy racộng hởng L,C điện áp sẽ trở nên sine nhng góc khoá  là min

3 Nghịch l u cộng h ởng

* ở nghịch lu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điên iN (hoặc điện áp uN)

đều có chứa thành phần sóng điều hoà bậc cao Vì vậy sẽ làm giảm hiệusuất của BBĐ Để tăng hiệu suất của BBĐ ta xét nghịch lu cộng hởng

* Do tải có tính cảm kháng vì vậy ta phải đấu với tải tụ C để bù lạitính cảm kháng nhằm tạo ra cộng hởng trong mạch Nhng do tải thay đổiliên tục trong quá trình tôi, nên ta không thể thực hiện bù đủ đợc, do vậy

mà mạch chỉ tiệm cận tới dao động cộng hởng Sau đây ta xét các mạch dao

động cộng hởng cơ bản:

a, Sơ đồ nghịch lu cộng hởng nối tiếp:

- Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, bộ nghịch lu phải là nghịch lunguồn áp Ta xét sơ đồ cầu:

o Sơ đồ này sử dụng cộng hởng nguồn áp nên có thể làm việc

đ-ợc ở chế độ không tải

o Tải mang tính cảm nên ta đấu với tải tụ C nhằm tạo ra dao

động cộng hởng và đồng thời phải bù thừa nhằm tạo ra góc khóa  cầnthiết để chắc chắn là khóa đợc van lực

o Và do cộng hởng nối tiếp nên sơ đồ này có thể làm việc đợcvới tải biến thiên rộng và trong thực tế sơ đồ này đợc sử dụng rộng rãi

Vì vậy ta chọn sơ đồ này để thiết kế phần nghịch lu cho bộ nguồn

lò tôi thép

*Xét hoạt động của mạch:

- Điện áp nghịch lu dạng xung chữ nhật, dòng điện trên tải gần sine

và dòng điện vợt trớc điện áp ( do thực hiện mồi chậm để chắc chắn cặp van

đợc khoá mới mở cặp van khác)

- Tại thời điểm  = 0 cho xung mở van T1,T2: dòng đi từ A-> B, tụ

C đợc nạp Khi tụ C đợc nạp đầy dòng qua van T1,T2 giảm về 0 Nhng dotải mang tính cảm nên dòng vẫn giữ nguyên chiều cũ nên khép mạch quaD3,D4 và C0 Khi đó điện áp uc đặt lên T1,T2 làm chúng bị khoá chắc chắn

- Tại thời điểm   2 phát xung mở T3,T4 dòng đi từ B->A và tụ C

đợc nạp theo chiều ngợc 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 tơng

2 2

1

L

L L

t d

t d

- Do hiện tợng cộng hởng nên uN, iN có dạng gần sine chứa ít thànhphần sóng điều hoà bậc cao do đó mà nâng cao đợc hiệu suất của BBĐ.

- Các đại lợng du/dt, di/dt có giá trị nhỏ nên phù hợp để sử dụng chothiết bị làm việc với tần số cao, mà không đòi hỏi nhiều về mạch bảo vệ vantránh hiện tợng xung

* Qua những phân tích trên ta đi đến kết luận: sử dụng sơ đồ cầu

cộng hởng nối tiếp (cộng hởng nguồn áp) để thiết kế phần nghịch lu cho

Tìm hiểu về thysistor

Cấu tạo và kí hiệu

ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3 Thyristor có ba cực: anot A, catot K, cực điều khiển G

Hình 1.4: Cấu tạo Thyristor

thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận

nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược tương ứng với trường hợp UAK < 0.

Hình 1.5: Đặc tính vôn – ampe của thyristor

 Không có dòng điện vào cực điều khiển bằng không (iG = 0)

khi hở mạch cực điều khiển, thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp

bán dẫn của thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, như vậy thyristor sẽ

thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi Uak tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất

sẽ xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như ở đoạn đặc tính ngược của diode quá trình đánh thủng là không thể đảo ngược được, nghĩa là thyristor đã bị hỏng.

lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là

giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến khi Uak tăng đạt đến giá trị điện

áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương

qua thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua thyristor có giá trị lớn hơn một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì, Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận của diode.

Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển

đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt giá trị lớn nhất Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì

Khi được phân cực thuận, UAK > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất, có thể tăng điện áp anôt-catôt cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất , Uth,max Khi đó điện trở tương đương trong mạch anôt-catôt sẽ giảm đột ngột và dòng qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định.

Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uth,max Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước.

Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển

và catôt Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anôt-catôt nhỏ.

Khi đó nếu dòng qua anôt-catôt lớn hơn một giá trị nhất định, gọi

là dòng duy trì (Idt) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển nữa Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực

mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.

1.2.4.Điều kiện khóa van Thyristor

Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anode – cathode tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì, Idt Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp anôt-catôt lại dương (UAK > 0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ