Giáo trình điện tử công nghiệp - Chương 2: Gia nhiệt trong công nghiệp, máy hàn điện trở doc

Tuỳ vào yêu cầu từng ngành, nhiệt năng dùng cho nhiều mục đích khác nhau ví dụ như nung; sấy khô; nhiệt luyện tôi, tôi cao tần, ủ thép …; nấu chảy các chất nấu chảy kim loại, sản xuất đấ

Trang 36

_Chương 2

GIA NHIỆT TRONG CÔNG NGHIỆP

Chương này trình bày về các phương thức gia nhiệt thông dụng trong công nghiệp sử dụng năng lượng điện cùng các mạch điện điển hình Qua đó, khảo sát một loại máy hàn rất thông dụng trong công nghiệp hiện nay: hàn tiếp xúc (hàn điện trở) Một loại máy hàn mà các mối hàn của nó bảo đảm các yếu tố rẻ, bền, đẹp …

Trong công nghiệp, nhu cầu về sử dụng nhiệt năng là rất lớn Tuỳ vào yêu cầu từng ngành, nhiệt năng dùng cho nhiều mục đích khác nhau ví dụ như nung; sấy khô; nhiệt luyện (tôi, tôi cao tần, ủ thép …); nấu chảy các chất (nấu chảy kim loại, sản xuất đất đèn …); … Nguồn nhiệt này có thể lấy từ nhiều dạng năng lượng khác nhau nhưng phổ biến và thuận tiện nhất vẫn là các lò điện vì nung nóng bằng điện nhanh, ít ô nhiễm môi trường và có thể điều khiển theo chương trình chính xác hơn

so với việc nung nóng bằng các nguồn năng lượng khác

Từ năng lượng điện, có thể thu được nhiệt năng từ nhiều cách: nhờ hiệu ứng Joule (lò điện trở), nhờ việc phóng điện hồ quang (lò hồ quang), nhờ vào tác dụng nhiệt của dòng xoáy Foucault thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ (lò cảm ứng) …

Trong chương này, các hình thức gia nhiệt bằng lò điện sẽ được giới thiệu và phân tích về quá trình công nghệ cùng sơ đồ nguyên lý điển hình

2.1 LÒ ĐIỆN TRỞ

2.1.1 Khái niệm cơ bản

Lò điện trở là thiết bị biến đổi nhiệt năng thành điện năng sử dụng dây điện trở Lượng nhiệt này có thể tính qua công thức:

Q = R I2 t (2.1)

Trong đó:

Q nhiệt lượng toả ra từ dây điện trở gia nhiệt

R giá trị của điện trở

I dòng điện qua điện trở

t thời gian gia nhiệt

Từ công thức (2.1), có thể điều khiển nhiệt độ lò theo hai hướng:

- Điều khiển dòng điện qua điện trở gia nhiệt

- Điều khiển thời gian phát nhiệt

Kết hợp với phương thức khống chế nhiệt độ liên tục và gián đoạn (không liên tục), ta có thể điều khiển nhiệt độ lò theo một chương trình đặt trước

1

t (s) t (s)

0 0

ton toff

1

Hình 2.1: Các phương pháp điều khiển nhiệt độ

a) Điều khiển liên tục b) Điều khiển không liên tục Trong thực tế, lò điện trở thường được dùng dưới dạng: lò tôi, lò ủ, lò ram, lò nung, lò nấu chảy …

2.1.2 Sơ đồ khống chế lò điện trở

2.1.2.1 Giới thiệu

Trên hình 2.2 trình bày một mạch điện đơn giản ổn định nhiệt độ cho lò sưởi, với loại lò này độ yêu cầu chính xác về nhiệt độ không cao Nguyên tắc làm việc như sau: chọn nhiệt độ của lò bằng bộ chuyển mạch SW, ứng với mỗõi một điện trở nhiệt PTR ta sẽ có một chế độ đóng cắt điện trở gia nhiệt (do mỗi PTR có độ biến thiên giá trị điện trở theo nhiệt độ khác nhau: hình 2.3), từ đó giữ nhiệt độ của lò được cố định ở một mức đặt trước

2.1.2.2 Nguyên lý làm việc

Hình 2.2: Mạch điều khiển nhiệt độ lò sưởi Hình 2.3: Biến thiên PTR theo nhiệt

Trang 37

Hiện nay chưa có các TRIAC công suất cực lớn nên với các tải yêu cầu công suất lớn mạch điện trên hình 2.2 không đáp ứng được Có thể thay thế bằng mạch điện trên hình 2.4 Trong mạch này hai SCR mắc song song nhau giữ nhiệm vụ cấp dòng ra tải Ở đây việc đóng cắt SCR lấy ngay từ điện áp rơi trên nó Công suất tổn hao trong mạch không lớn vì khi SCR đóng thì dòng điều khiển không tồn tại Giống như ở mạch trên, nhiệt độ của môi trường cần khống chế lệ thuộc vào tính chất của linh kiện PTR1

Hình 2.4: Điều khiển nhiệt độ dùng SCR thay TRIAC 2.2 LÒ HỒ QUANG

2.2.1 Khái niệm cơ bản

Điện áp 3 pha

Điện cực hồ quang

Kim loại nĩng chảy Mass

Vỏ lị

Vỏ loø

Nắp lị

HỒ QUANG

Hình 2.5: Lò hồ quang nung nóng trực tiếp (a) và

hồ quang nung nóng gián tiếp (b) Lò hồ quang lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực (graphite, than): hồ quang nung nóng gián tiếp (hình b) hoặc giữa điện cực với vật liệu cần gia nhiệt (thông qua điện cực khác là vỏ lò): hồ quang nung nóng trực tiếp (hình a) Hồ quang có thể tạo ra từ nguồn điện một chiều hay xoay chiều lấy từ lưới

Trang 38

Trang 39

Lò hồ quang thường dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao, sản xuất đất đèn … Trong lò có thể trang bị thêm các thiết bị khuấy trộn để nâng cao chất lượng của kim loại nấu

Các thông số quan trọng của lò hồ quang là:

- Dung lượng định mức của lò: trọng lượng sản phẩm tối đa trong một mẻ nấu

- Công suất định mức của biến áp lò: ảnh hưởng quyết định đến thời gian nấu

luyện và khả năng thực thi theo các qui trình công nghệ của lò

Chu trình làm việc của lò hồ quang gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn khởi động (mồi lò) Trong giai đoạn này lò cần một công suất nhiệt

lớn nhất, năng lượng sử dụng trong giai đoạn này chiếm khoảng 60 đến 80% năng lượng của toàn bộ quá trình gia nhiệt Để duy trì hồ quang, điện cực phải được đặt gần vật liệu cần nấu và cấu trúc các vật liệu trong lò chưa ổn định do đó thường xuyên xảy ra ngắn mạch Đây là giai đoạn mà hồ quang cháy kém ổn định nhất

- Giai đoạn ổn định: trong giai đoạn này công suất nhiệt yêu cầu chủ yếu là để

bù lại các tổn hao nhiệt và chỉ khoảng 60% năng lượng của giai đoạn khởi động Hồ quang giai đoạn này ổn định vào được hiệu chỉnh theo qui trình công nghệ của quá trình gia nhiệt

- Giai đoạn kết thúc: Đây là giai đoạn lấy sản phẩm đã nấu luyện, tu sửa và

làm vệ sinh lò

Ngoài loại lò hồ quang cháy trong môi trường không khí, người ta còn sử dụng các lò hồ quang chân không và lò hồ quang plasma tuỳ thuộc yêu cầu của công nghệ

- Khi nấu kim loại trong lò hồ quang chân không ta sẽ tránh được sự tương tác của kim loại với các chất khí có trong khí quyển Lúc này hầu như kim loại chỉ còn tác dụng với các điện cực Do vậy loại lò này thường được dùng trong các mẻ nấu có yêu cầu chất lượng cao

- Lò hồ quang plasma có ưu điểm là tập trung một lượng năng lượng nhiệt lớn trong một vùng không gian hẹp do đó có khả năng tạo ra một mức nhiệt độ trong lò cực cao Vì thế tăng được khả năng và tốc độ phản ứng tạo những liên kết mà ở nhiệt độ thông thường không thể tạo được

2.2.2 Sơ đồ khống chế lò hồ quang

2.2.2.1 Giới thiệu

Hình 2.6 là một sơ đồ điều khiển lò hồ quang ứng dụng trong thực tế tự động điều chỉnh hồ quang điện giữ nhiệt độ lò ở một mức đặt trước Ở đây chỉ là sơ đồ mang tính giới thiệu nguyên lý làm việc, muốn thi công thực tế cần bổ sung các mạch ổn định và thực hiện trên cả 3 pha

Mạch điện gồm các phần chính như:

- Biến dòng cùng chỉnh lưu CL1 để phản hồi dòng hồ quang cho hệ thống xử lý

- Chỉnh lưu CL2 để phản hồi điện áp của hồ quang cho hệ thống xử lý

- Hai chỉnh lưu CL1 và CL2 tạothành mạch phản hồi dương dòng – âm áp giúp hệ thống điều khiển điện cực hồ quang

- Mạch khuếch đại sai lệch để khuếch đại tín hiệu đủ lớn điều khiển động cơ

chấp hành nâng/hạ điện cực hồ quang Trong một số hệ thống ở đây sử dụng máy khuếch đại từ trường ngang

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập điều khiển nâng/hạ điện cực hồ

quang

2.2.2.2 Nguyên lý làm việc

Với hệ thống như trên sau khi đặt chế độ làm việc của lò thông qua chỉnh định hai biến trở VR1 và VR2, hệ thống sẽ tự động ổn định dòng hồ quang theo dạng phản hồi dương - dòng âm áp giữ nhiệt độ lò trong mức dung sai cho phép

Hình 2.6: Sơ đồ khối nguyên lý khống chế lò hồ quang 2.3 LÒ CẢM ỨNG

Trang 40

2.3.1 Khái niệm cơ bản

Hình 2.7: Nguyên lý gia nhiệt trong lò cảm ứng

Lò cảm ứng làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đặt một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên thì trong khối kim loại sẽ cảm ứng nên các dòng điện xoáy (dòng foucault) Nhiệt năng mà dòng điện xoáy sinh ra sẽ làm nóng khối kim loại

Cuộn làm việc xem như cuộn sơ cấp máy biến áp, trong khi vật dẫn điện cần gia nhiệt giống như cuộn thứ cấp bị ngắn mạch Để an toàn cho cuộn làm việc, thường nó được chế tạo dạng ống đồng có nước làm mát chạy bên trong

Tuỳ vào yêu cầu công nghệ, có thể điều chỉnh tần số dòng điện cuộn làm việc cho tương thích Thông thường thay đổi từ vài trăm Hz đến vài chục KHz

Ví dụ để tôi bề mặt của chi tiết cần có bề mặt chịu lực cao, người ta nâng cao tần số để dòng điện cảm ứng chủ yếu chạy bên ngoài vật thể Lúc này nhiệt chủ yếu chỉ sinh ra trên bề mặt của chi tiết cần tôi Nhưng do kim loại dẫn nhiệt tốt nên ta chỉ đưa bề mặt lên nhiệt độ cao trong vài giây rồi làm nguội nhanh trước khi phần lớn nhiệt truyền vào bên trong chi tiết

Năng lượng nhiệt truyền vào kim loại phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:

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

Chính nhờ yếu tố này mà các bếp điện cảm ứng (induction cooking) hay bếp điện từ rất an toàn với người sử dụng: nấu, đun thực phẩm rất tốt nhưng không gây phỏng người sử dụng mặc dù bếp đã được cấp điện vì ρ và μ của người khác rất xa của thép không rỉ hoặc gang

- Cường độ từ trường H

Được tính theo công thức: Wnhiệt ≈ H2 ≈ I2 Nhưng trên thực tế không thể tăng cường độ dòng điện lên quá cao vì như thể sẽ làm dây bị nóng chảy (mặc dù đã có nước làm mát)

Trang 41

- Tần số dòng điện cảm ứng :

Được tính theo công thức: Wnhiệt ≈ f Trong thực tế các lò cảm ứng thường dùng phương pháp này Vì vậy, nó còn có một tên khác là lò tần số

Ưu điểm của lò cảm ứng:

- Có thể truyền nhiệt sang vật cần gia nhiệt trực tiếp không qua khâu trung

gian nên hiệu suất rất cao, truyền nhiệt nhanh chóng, có thể tự động hoá dễ dàng và đặc biệt có thể tiến hành gia nhiệt trong môi trường chân không

- Có thể tôi bề mặt chi tiết một cách dễ dàng nhờ hiệu ứng mặt ngoài của

dòng cao tần Vật cần tôi có thể mang hình dạng bất kỳ

- Do dễ tự động hoá nên tăng được năng suất lao động

Do các ưu điểm như trên, lò cảm ứng có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp:

- Nấu chảy kim loại trong không khí, khí trơ, chân không

- Nung phôi để rèn, dập, ép

- Tôi, ram ủ các chi tiết cơ khí

- Gia công hoá nhiệt

- Sấy, nung, hàn, định hình chất điện môi như gỗ, khuôn đúc, sứ, thóc lúa, khử

trùng đồ hộp …

2.3.2 Sơ đồ khống chế lò cảm ứng

2.3.2.1 Giới thiệu

Hình 2.8 là một sơ đồ điều khiển lò cảm ứng dụng trong thực tế tự động điều chỉnh nhiệt độ lò ở một mức đặt trước Ở đây chỉ là sơ đồ mạch động lực, muốn thi công thực tế cần bổ sung mạch điều khiển Mạch điều khiển có thể đơn giản chỉ là một mạch dao động đa hài hay cao cấp là các mạch điều khiển dạng SVPWM (sử dụng giản đồ vector quay)

Mạch điện gồm các phần chính như:

- Các vòng dây cảm ứng Ci có dòng điện hàng ngàn amper định mức Đây là nguồn phát sinh nhiệt khi đặt vật cần gia nhiệt vào vòng dây này

- Biến áp lực làm việc với tần số tương ứng với tần số làm việc của lò

- Tụ C nhằm phân ly dòng điện một chiều và bù hệ số công suất

- Hai SCR T1 và T2 giữ chức năng đóng ngắt tạo dòng tần số cao cung cấp cho máy biến áp BA Công suất bộ nghịch lưu này có thể đến 12.000KW; hiệu suất có thể đến 0,95; điện áp làm việc 1000V và tần số định mức 10 KHz

Trang 42

- Cuộn kháng K bảo vệ quá dI/dt cho SCR

- Mạch điều chế xung tạo dòng kích dẫn hai SCR

- Dây dẫn cao tần: đặc trưng của dây dẫn dòng cao tần là có cảm kháng đặc

biệt lớn so với hiệu ứng bề mặt, hổ cảm và chúng phụ thuộc nhiều vào tần số Thông thường trong thực tế dây này chính là các thanh cái rỗng ruột có nước làm mát chạy bên trong Hiện nay người ta đã chế tạo được cáp cao tần

có dòng 500A, tần số định mức 10 KHz và điện áp đến 2 KV

2.3.2.2 Nguyên lý làm việc

Để có được điện áp DC sóng dạng tương đối phẳng, người ta phải sử dụng chỉnh lưu nhiều pha (vì dùng bộ lọc không thích hợp đối với các hệ thống công suất cực lớn) Sau đó điện áp này được nghịch lưu bởi hai SCR T1 và T2 thông qua mạch điều khiển là khối điều chế xung Qua biến áp điện áp được nâng lên tương ứng với yêu cầu của lò

Hình 2.8: Mạch động lực trong lò cảm ứng 2.3.3 Nung nóng điện môi

Đây có thể xem như một ứng dụng mở rộng của nung nóng cảm ứng Để có thể nung nóng vật liệu không dẫn điện, tần số nguồn lúc này ít nhất phải vài MHz trở lên Năng lượng có tần số cao này truyền vào vật cần gia nhiệt khiến cho các lưỡng cực điện trong vật này xoay quanh vị trí ổn định của nó cực nhanh, ma sát với các phần tử khác sinh nhiệt Do các phần tử lưỡng cực điện nằm bên trong vật cần gia nhiệt nên nhiệt lượng sinh ra trong phương pháp gia nhiệt này toả rất đều trên vật thể Ví dụ như ứng dụng gia nhiệt trong hình dưới đây

Trang 43

Hình 2.9: Gia nhiệt theo nguyên tắc cảm ứng

Các miếng ván được gọt thật mỏng theo các kích thước định sẵn đặt giữa hai điện cực Khi áp và 2 điện cực này một điện áp cao với tần số cao, sự ma sát của các lưỡng cực điện trong từng miếng ván mỏng làm tấm ván ép khô nhanh và đều Nhiều chi tiết cần làm nóng trước khi đem gia công cũng dùng phương pháp này ví dụ: làm mềm các chất dẻo (plastic) trước khi định hình (vì trong điều kiện nhiệt độ thường chúng rất cứng); Rã đông (defrost) cho thực phẩm đông lạnh; khử trùng đồ hộp; trong y khoa để tạo một cơn sốt nhân tạo dùng cho vật lý trị liệu …

Ngoài ra trong gia dụng người ta đã chế tạo rất nhiều lò dạng này, đó là lò vi sóng (Microwave Oven) Lò này đặc biệt thông dụng ở các xứ lạnh do chức năng rã đông của nó Tuy nhiên do tính chất như đã nêu ở trên, thực phẩm nướng trong lò này bị mất nước Do đó để nâng cao chất lượng khi nướng thực phẩm, người ta thường kết hợp thêm các điện trở gia nhiệt trong lò

Mạch điện của lò vi ba có thể dễ dàng tìm thấy trong các tạp chí điện tử dân dụng Trong công nghiệp các lò dạng này chủ yếu dùng đèn điện tử: đèn magnétron (do yêu cầu về công suất, điện áp và tần số cao) trong khi các sinh viên ngoài ngành chưa được trang bị kiến thức về dạng linh kiện này nên giáo trình không trình bày Nếu bạn có nhu cầu hãy tham khảo tài liệu về Điện tử công nghiệp dành cho sinh viên chuyên điện

2.4 GIỚI THIỆU MÁY HÀN TIẾP XÚC

2.4.1 Khái niệm cơ bản

Hàn tiếp xúc là phương pháp hàn lợi dụng hiệu ứng nhiệt của dòng điện có trị số lớn chảy qua điện trở tiếp xúc giữa hai tấm kim loại để tạo nhiệt lượng kết dính hai tấm kim loại lại với nhau tại điểm tiếp xúc Chính vì thế có khi người ta còn gọi là

hàn điện trở Tuy nhiên máy hàn tiếp xúc không chỉ hàn được theo từng điểm mà

thường được chế tạo theo ba dạng:

- Hàn nối: Dùng để nối các ống, các thanh kim loại lại với nhau ví dụ hàn lưỡi

cưa máy … Minh hoạ qua hình 2.10 a

Trang 44

- Hàn điểm: Để hàn các tấm mỏng Mối hàn có hình dạng là một điểm có

kích thước bằng đúng tiết diện bề mặt tiếp xúc của điện cực hàn Minh hoạ qua hình 2.10 b

- Hàn lăn (hàn đường): hàn ghép mí theo đường thẳng hoặc cong giữa hai tấm

kim loại Ví dụ hàn thùng chứa dầu tản nhiệt trong máy biến áp lực, phao … Lúc này điện cực là các con lăn, có thể tạo được các mối hàn liên tục hay thành mảng bằng các vết hàn chồng lắp Minh hoạ qua hình 2.10 c

Hình 2.10: Các dạng hàn điện trở

1- Điện cực hàn 2- Vật cần hàn 3- Mối hàn 4- Máy biến áp hàn

a) Hàn nối b) Hàn điểm c) Hàn lăn Giống như trong lò điện trở, nhiệt lượng sinh ra trên mối hàn được tính theo công thức:

Q = R I2 t

(2.2)

Từ đây, muốn điều khiển nhiệt độ trên mối hàn ta có thể điều khiển R, I hay

t Căn cứ vào nhiệt độ nóng chảy của tấm kim loại cần hàn, sẽ điều chỉnh nhiệt lượng tương thích để mối hàn kết dính tốt Thông thường để cho dễ điều khiển, người

ta sẽ giữ nguyên giá trị dòng hàn và điều chỉnh thời gian hàn Với cùng một vật liệu hàn có thể xem như điện trở mối hàn R = const nhưng rõ ràng điện trở này phụ thuộc vào kim loại hàn: thép có điện trở lớn nên hàn rất dễ với dòng điện nhỏ trong khi nhôm có điện trở nhỏ và lớp oxyt bề mặt bền vững đòi hỏi giá trị của dòng hàn phải rất lớn

2.4.2 Chu kỳ làm việc của máy hàn điểm (spot welding)

Để điều khiển máy hàn điểm theo một chương trình tự động, bắt buộc chương trình hàn cho từng mối hàn phải được thiết kế chính xác Mỗi chu kỳ hàn trong máy hàn điểm bao gồm 4 bước minh hoạ trên hình 2.11 như sau:

Trang 45