Tính toán thiết kế thiết bị gia nhiệt tần số

Tính toán thiết kế, thiết bị gia nhiệt tần số

CHƯƠNG 1

đặc điểm công nghệ gia nhiệt bằng tần số.

Đ1.1 KháI niệm chung.

1.1.1 Lịch sử phát triển.

a) Đặt vấn đề.

Trớc kia các ngành công nghiệp cha đợc phát triển nhất là ngành luyện kim vàchế tạo máy, nên vấn đề chất lợng thép và thép hợp kim cha đợc quan tâm đúng mức.Vào thế kỷ 20, nhất là sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, Nền công nghiệp ngàycàng phát triển mạnh Trên thế giới lúc bấy giờ các ngành công nghiệp, nhất là ngànhluyện thép và hợp kim, ngành đúc chi tiết, ngành chế tạo máy, ngành điện lực ngành

điện tử … đang đà phát triển về sản l đang đà phát triển về sản lợng và chất lợng sản phẩm Do yêu cầu và điềukiện kĩ thuật mới, sắt thép thông thờng nh trớc không thoả mãn với các dụng cụ, máymóc, thiết bị tối tân; vì ở đây đòi hỏi chung phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ và

áp suất cao, chống đợc ăn mòn hoá học, điện hoá, chống bào mòn cơ học, chốngnóng, chống gỉ… đang đà phát triển về sản l do đó đòi hỏi phải sản xuất ra các chủng loại thép và hợp kim cónhững tính năng đặc biệt nh độ bền cơ học cao, độ bền chống ăn mòn trong môi trờngaxit, nớc sông, nớc biển, chống mài mòn do va đập … đang đà phát triển về sản l Đặc biệt cần phải sản xuất cácloại thép có tính dàn hồi cao, có tính nhiễm từ tốt, có tính chống nhiễm từ cao… đang đà phát triển về sản lDocác tính chất đặc biệt nên thép đợc sản xuất ra từ lò thổi không khí, lò Besmer, lòMactin(lò bằng) không thể đáp ứng đợc nữa, mà phải nấu luyện trong các loại lò

điện Vậy phơng pháp luyện thép tròng lò điện là một công nghệ mới và hiện đại Đểluyện thép và hợp kim trong lò điện, ngời ta tận dụng điện năng biến thành nhiệtnăng dới dạng hồ quang, cảm ứng điện từ, điện trở và dạng plasma Thờng sử dụng lò

điện hồ quang xoay chiều (AC–EAF), lò điện hồ quang một chiều (DC – EAF) đểsản xuất thép cacbon chất lợng, thép hợp kim thấp, trung bình và cao với sản lợnglớn Để luyện một số mác thép hợp kim chuyên dùng, hoặc thép hợp kim cao ítcacbon, ngời ta sử dụng các loại lò điện cảm ứng cao tần, trung tần và tần số côngnghiệp Để nấu lại thép và hợp kim, tinh luyện kim loại và thép đạt chất lợng cao hơnnữa ngời ta sử dụng lò điện xỉ, lò điện cảm ứng chân không, lò hồ quang chân không,

lò điện tử chân không sâu, lò plasma… đang đà phát triển về sản l Để nung nguyên liệu, ferro, các loại vật liệu,các dụng cụ, chi tiết máy ngời ta sử dụng lò điện trở nung trực tiếp hoặc gián tiếp

b) Đặc điểm chủ yếu của phơng pháp lò điện luyện thép.

+ Để nấu luyện thép và hợp kim trong lò điện ngời ta sử dụng năng lợng điện biếnthành nhiệt năng, do đó tập trung đợc lợng nhiệt lớn để nung chảy kim loại nhanh đặcbiệt là các kim loại khó chảy nh volfram, molipden… đang đà phát triển về sản l

+ ở lò điện có nhiệt độ cao 1700oC nên tạo điều kiện hoà tan các nguyên tố hợpkim nhều trong thép, thoả mãn đầy đủ cho các phản ứng luyện kim (oxy hoá khử) tạo

điều kiện tăng tốc độ phản ứng hoá học, thúc đẩy các quá trình oxy hoá và hoànnguyên kim loại xảy ra nhanh chóng và triệt để

+ Trong quá trình nấu luyện thép ở lò điện, dễ dàng nâng nhiệt độ bề mặt kim loại

và đồng thời tiến hành điều chỉnh chính xác thành phần hoá học của thép lỏng và xỉ + Nấu luyện đợc tất cả các loại thép cacbon cao, thấp có chất lợng tốt, luyện đợc tấtcả các loại thép hợp kim cao hoặc đặc biệt mà đảm bảo cháy hao các hợp kim rấtthấp Đặc biệt luyện đợc các mác thép có hàm lợng phôtpho và lu huỳnh rất thấp (P,S

<0,02%)

+ Giá thành thép lò điện còn cao vì tiêu tốn điện năng và điện cực lớn (điện cựcgrafit phải nhập ngoại vì một số nớc và nớc ta cha sản xuất đợc) Vì vậy cần phải ápdụng những biện pháp cải tiến thiết bị và cờng hoá quá trình luyện thép trong lò điện

để nâng cao chất lợng và hạ giá thành sản phẩm:

- Chọn và tính toán hợp lí phế thép, đảm bảo ít phôtpho và lu huỳnh; kích thớc vậtliệu phải phù hợp vói dung lợng lò và phơng pháp chất liệu vàp lò để đảm bảo vậnhành lò tốt

- Sử dụng và khống chế chế độ điện một cách tối u trong quá trình nấu luyện thép,

đảm bảo thời gian nấu một mẻ thấp nhất, năng suất lò (tấn/giờ) cao nhất

- áp dụng triệt để các biện pháp cờng hoá trong giai đoạn nấu chảy, oxy hoá vàhoàn nguyên

- áp dụng các công nghệ mới nh tạo xỉ đơn, tạo xỉ bọt, thổi oxy nguyên chất, thổicác chất khử với khí trơ vào lò để đảm bảo tốc độ phản ứng luyện kim xảy ra nhanh,

do đó khử bỏ đợc các tạp chất và các khí có hại trong thép một cách triệt để

1.1.2 Cơ sở lý thuyết chung về lò cảm ứng không lõi sắt.

Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng dựa vào hiện tợng cảm ứng điện từ, khi đamột khối kim loại vào trong một từ trờng biến thiên, trong khối kim loại xuất hiệndòng điện xoáy, nhiệt năng do dòng điện xoáy đốt nóng khối kim loại

Theo định luật Joule-Lentz

Trong đó : I - cờng độ dòng điện qua kim loại, A ;

R - điện trở của kim loại,  ;

t - thời gian tác dụng, s ;Tuy nhiên khi nấu luyện thì nhiệt độ, thời gian thay đổi nên điện trở của kimloại cũng thay đổi theo nhiệt độ và thời gian Vì vậy công suất cấp vào lò là không cố

định và phụ thuộc vào giai đoạn nấu luyện, công nghệ nấu và mác thép khác nhau màchúng ta thay đổi công suất điện vào nó sao cho tốt nhất

Lò cảm ứng đợc cấu tạo dựa trên nguyên lí của một máy biến áp không khí,cuộn cảm ứng đợc chế tạo bằng ống đồng theo dạng xoắn ốc bọc xung quanh tờng lò.Cuộn cảm ứng đợc coi nh cuộn sơ cấp Còn vật liệu kim loại chứa trong nồi đợc coi

nh cuộn thứ cấp máy biến áp Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn cảm ứngthì sẽ sinh ra từ thông biến thiên Từ thông qua kim loại sinh ra một sức điện độngcảm ứng là E2 Kim loại ở đây coi nh là một dây dẫn, khép kín và thẳng góc với từthông biến thiên Xuất hiện trong kim loại một dòng điện cảm ứng và năng lợng củadòng điện cảm ứng sinh ra một lợng nhiệt lớn để nung chảy kim loại Nh vậy khi lò

làm việc thì xuất hiện hai sức điện động cảm ứng trong cuộn cảm ứng (E1) và trongkim loại (E2).

Giá trị của E1 và E2 đợc tính theo công thức sau:

E1 = 4,44..f.n1.10-8 [V]

E2 = 4,44..f.n2.10-8 [V]

Trong đó : - tần số làm việc , Hz

n1 - số vòng của cuộn cảm ứng ( sơ cấp )

n2 - số vòng cuộn thứ cấp ( kim loại coi là một khối đồng nhấtnên có n2 = 1)

Do giữa cuộn cảm ứng và kim loại chứa trong lò bị ngăn cách bởi độ dày củanồi lò (bằng vật liệu chịu lửa) và các vòng cuộn cảm có những khoảng cách nhất địnhnên từ thông biến thiên bị mất mát lớn (từ thông tản ra ngoài không khí) do vậy sức

điện động cảm ứng E1 > E2 Vì vậy cần phải cấp vào một lợng điện lớn để tạo ra E1

cao phù hợp với dung lợng lò và đồng thời tạo ra E2 đủ lớn để làm nóng chảy kimloại trong lò Khi kim loại bị cảm ứng thì trong kim loại sẽ lập tức sinh ra từ thôngchống lại từ thông sinh ra do cuộn cảm ứng sinh ra, do đó chiều dòng điện I 1

ngợcchiều với dòng Foucault (I2

Nhờ có dòng điện phu cô (I2) tạo ra một lợng nhiệt lớn để nấu chảy kim loại.Năng lợng điện cung cấp để nấu chảy kim loại đợc tính theo công thức:

d - đờng kính nồi lò chứa kim loại, mm ;

h - chiều cao nồi lò , mm ;  - điện trở suất của kim loại, mm2/m ;  - hệ số từ thẩm của kim loại ;

f - tần số làm việc, Hz

Qua công thức trên, chúng ta thấy lợng nhiệt cung cấp cho lò nấu luyện thép tỉ

lệ thuận với bình phơng ampe vòng Nh vậy lợng nhiệt này phụ thuộc vào số vòngcủa cuộn sơ cấp (n1) và cờng độ dòng điện cảm ứng (I1) Mỗi một loại lò cảm ứng đều

có mạch điện riêng để đảm bảo cung cấp dòng điện I1 và tần số làm việc ở mức tốithiểu

trong đó :  - điện trở suất của liệu, mm2/m ;

d - đờng kính lò chứa liệu, mm

Kết luận:

Nhiệt năng truyền vào khối kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Điện trở suất  và hệ số từ thẩm  của kim loại

- Cờng độ từ trờng H : Wnhiệt  H2 I2

Trị số dòng điện của nguồn cấp Nếu tăng trị số dòng điện lên hai lần thì nhiệtnăng tăng lên bốn lần

- Tần số dòng điện của nguồn cấp Nếu tăng tần số dòng điện lên bốn lần thì nhiệtnăng tăng lên hai lần

Từ đó ta thấy : tăng dòng điện của nguồn cấp hiệu quả hơn tăng tần số củanguồn cấp, nhng thực tế trị số dòng không thể tăng lên đợc mãi vì lí do cách điện, trị

số dòng điện lớn sẽ làm nóng chảy vòng cảm ứng (mặc dù đã đợc làm mát bằng dòngnớc liên tục) cho nên thực tế ngời ta tăng tần số của nguồn cấp

1.1.3 Các bộ nguồn tần số cao.

Các bộ nguồn tần số cao có thể tạo ra bằng các phơng pháp sau:

- Dùng máy phát điện đặc biệt tần số cao do hạn chế về kích thớc và số vòng quaynên giải tần số của máy phát không vợt quá f=10 kHz Hiệu suất của các máy này cóthể đạt cỡ  = 7080% Do máy phát này đợc chế tạo với tần số, công suất, điện ápnhất định nên khi cần gia nhiệt với điện áp khác thấp hơn, thờng cần có biến áp đểphối hợp các tham số giữa nguồn và phụ tải

- Dùng bộ biến tần dùng tiristo do công

nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn cha chế tạo

đ-ợc các loại tiristo tần số cao, nên tần số có

giới hạn tới f=2000Hz Sử dụng tốt ở các lò

trung tần công suất vừa và nhỏ

- Bộ tần số dùng đèn phát điện tử, khi cần

tần số cao đến 400kHz dùng đèn phát là đèn

điện tử ba cực (triôt) Hiệu suất của bộ biến

nguồn dùng đèn phát không cao, tuổi thọ của

đèn thấp

1.1.4 Ưu điểm của thiết bị gia nhiệt tần

số.

Có thể truyền năng lợng nhiệt cho vật cần gia công một cách nhanh chóng vàtrực tiếp, không phải qua khâu trung gian nên có thể tự động hoá ở mức độ cao và cóthể tiến hành gia nhiệt ở môi trờng trung tính, chân không.

- Có thể tôi bề mặt chi tiết (vỏ ngoài cứng, trong ruột mềm) một cách đơn gian nhờhiệu ứng mặt ngoài của dòng cao tần Vật cần tôi có thể có hình dạng bất kì

- Tăng đợc năng suất lao động, giảm đợc lao động mệt nhọc

1.1.5 Phạm vi ứng dụng của thiết bị gia nhiệt tần số.

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

- Nung phôi để rèn, dập, ép

- Tôi, ram, ủ các chi tiết cơ khí

- Thực hiện các nguyên công nhiệt luyện nh tôi, ram thờng hoá Đặc biệt ứng dụng,

để tôi bề mặt các chi tiết nh bánh răng , cổ trục khuỷu của động cơ điêzen khi yêucầu độ cứng bề mặt ngoài cao Hình dáng chi tiết cần tôi có thể có hình dáng bất kì(hình vẽ)

- Do hiệu ứng bề mặt ngoài của dòng cao tần, bề mặt ngoài cua chi tiết đ ợc nungnóng trong thời gian một vài giây, trong khi đó trong lòng của chi tiết cha kịp nungnóng

- Hàn đờng ống trong công nghiệp chế tạo ống nớc tráng kẽm

1.1.6 Phân loại các thiết bị gia nhiệt tần số.

a) Theo tần số làm việc có:

- Thiết bị tần số công nghiệp lấy điện từ lới hoặc qua máy biến áp: f = 50 Hz

- Thiết bị trung tần với tần số làm việc từ 500  10.000 Hz Thiết bị này thờngdùng máy phát điện quay tần số cao hay dùng tiristor khi công suất nhỏ và vừa

- Thiết bị gia nhiệt tần số cao tần, có tần số làm việc f >10 kHz, th ờng dùng đènphát hoặc tiristor

b) Theo phạm vi sử dụng có:

+Thiết bị tần số nấu chảy kim loại và hợp kim : loại này phân ra làm hai loại

- Lò cảm ứng có lõi thép: Thờng là lò có tần số công nghiệp đợc cấp nguồn từ biến

a) lò có lõi thép (lò máng) b) lò không có lõi thép (lò nồi)

Hình 1.1: Lò nấu chảy cảm ứng.

+ Thiết bị nung phôi cho rèn, dập, cán Phôi càng lớn thì tần số làm việc càng nhỏ + Thiết bị tôi bề mặt thờng làm việc ở tần số cao Lớp tôi càng mỏng thì tần số làmviệc càng cao.

+ Thiết bị nung, sấy chất điện môi và bán dẫn

Đ1.2 Đặc điểm nguyên lí cảm ứng điện trong lò cảm ứng không lõi sắt.

9

2 10

2

kl z

Trong đó :  z, 0 - tơng ứng là mật độ dòng tại hoành độ z và O ;

 - độ từ thẩm trong môi trờng chân không ; kl - độ từ thẩm của kim loại trong lò ;  - điện trở suất của kim loại, mm2/m ;

f - tần số làm việc, Hz Trong quá trình nấu luyện thép khi tăng nhiệt độ thì độ sâu thấm từ tăng (d ới

điểm quyri t  780oC) Trên thực tế sản xuất thờng cho lò đạt nhiệt độ cao rồi mớichất vật liệu cục to vào lò, đặc biệt nên chất vật liệu kim loại sát thành lò hết sức khítchặt, còn ở giữa lò chất vừa đảm bảo vật liệu đợc nung đỏ và nấu chảy đều, nhanh.Sau mỗi mẻ thép cần để lại ít thép lỏng trong lò để kích thích độ dẫn từ cho phép).Khi vật liệu kim loại còn ở trạng thái rắn thì giá trị công suất nhiệt tỏa ra trong vậtliệu phụ thuộc vào kích thớc cục vật liệu ban đầu

Theo G.T.Badata thì giá trị công toả nhiệt ra trong liệu đạt đợc cực đại khikích thớc liệu là :

d1 = 3,5.b , mmtrong đó : d1 - đờng kính cục vật liệu, mm;

z z

P /P z o

o z

a) Mắc nối tiếp với cuộn cảm ứng lò thì cho ta chế độ cộng hởng điện áp.

r X=

1 C



C

1

U

1I

 

Hình 1.3: Sơ đồ nối tiếp tụ với cuộn cảm ứng lò.

Khi cộng hởng Im = Ilò = Ic = Itổng và điện áp của máy phát khi công hởng nhỏhơn điện áp của máy khi cha cộng hởng (Um > Um’) Nếu cộng hởng hoàn toàn thì có

điện áp ở cuộn cảm ứng bằng điện áp ở tụ điện bù (UL = UC) Khi Um=Um’ thì góclệch pha giữa UL và Um giảm xuống bằng không Nếu điện áp ở máy phát ổn địnhtheo mức bù dẫn tới IL tăng làm tăng giá trị sụt áp trên cuộn cảm và trên tụ bù

b) Sơ đồ ghép tụ song song với cuộn cảm ứng từ.

X=

r

I

2I

In

U

CU

L

I =2

I

CIL

I =

CI

Hình 1.4: Sơ đồ nối song song tụ với cuộn cảm ứng lò.

Ta có Um = Uc = UL = Ulò, nghĩa là điện áp máy phát ổn định trong quá trìnhchạy lò, còn dòng điện lò khi cộng hởng vợt trội dòng điện máy phát:

lo

I

= Ic+ Im

Nhng nếu cha bù cos thì ta có: Ilo = I m

Nếu cộng hởng hoàn toàn khi r = 0 thì ta có : I lo = Ic Khi lò làm việc theo

L C

Qua công thức trên , chúng ta thấy lò cảm ứng có tần số làm việc càng cao thì

điện dung bù càng nhỏ (giá thành hạ, tổn hao điện năng tụ thấp)

c) Cộng hởng hỗn hợp là vừa có cộng hởng điện áp, vừa có cộng hởng dòng trong

qúa trình chạy lò Để thực hiện cộng hởng hỗn hợp ngời ta vừa nối ghép tụ bù nốitiếp, vừa nối song song với cuộn cảm ứng lò Đây là mạch nộ phức tạp, cồng kềnhnên ít sử dụng trong sản xuất

nI I

r

X=

1 C



C

2

Hình 1.5: Sơ đồ nối hỗn hơp tụ với cuộn cảm ứng lò

d) Ngoài ra do từ thông tán xạ và từ thông trong khối trụ kim loại gây ra hiện tợng

điện động mạnh trong bể lỏng kim loại Do vậy xuất hiện lực căng làm cho phần khốikim loại lỏng ở giữa lò đợc tăng cao với độ cao h2

 - tỉ khối của kim loại lỏng, g/cm2;

P - công suất điện cung cấp cho kim loại, W;

h2, d2 - tơng ứng là chiều cao và đờng kính của bể kim loại, cm;

2

 - điện trở suất của kim loại, m;

f - tần số làm việc của lò, Hz

Cùng một công suất truyền cho kim loại nếu tần số càng nhỏ thì h2 càng cao

Do lực nâng lên của phần kim loại lỏng giữa lò nên kim loại + xỉ lỏng đợc xáo trộnmãnh liệt làm cho thành phần hoá học và nhiệt độ của thép lỏng hết sức đồng đều,sản phẩm luyện ra rất sạch nhng lại có nhợc điểm làm cho lò bị bào mòn nhanh, bóctrần bề mặt kim loại lỏng, (không có xỉ bao che) tạo điều kiện cho khí có hại dễ xâmnhập vào thép lỏng Qua sản xuất thực tế ngời ta đã áp dụng hai biện pháp sau đây đểkhắc phục nhợc điểm đó:

- Nâng hạ cuộn cảm đến mức cho phép (đối với lò có dung tích nhỏ 510kg/mẻ)

- Ngời ta lắp đặt hai cuộn cảm ứng: cuộn cảm ứng có tần số cao để tăng tốc độ nấuchảy liệu, còn cuộn cảm ứng thứ hai có tần số công nghiệp để khuấy trộn bể kim loạilỏng Hai cuộn cảm ứng này đợc nối ghép thành một hệ thống chung và đợc quấn cácvòng cảm ứng ngợc chiều nhau Cuộn cảm ứng thứ nhất có nhiều vòng đợc sử dụngtrong thời gian nấu chảy vật liệu, còn cuộn cảm ứng thứ hai đợc sử dụng khi cần xáotrộn kim loại lỏng mãnh liệt mà không có độ vồng cao của phần khối kim loại ở giữa

lò Với thiết bị hiện đại ngời ta vận hành lò có hai cuộn cảm ứng hết sức nhanh vàchính xác Hiện nay ngời ta áp dụng phơng pháp này phổ biến để nấu luyện thép hợpkim có chất lợng cao và đồng thời nâng cao tuổi thọ áo lò (100 150 mẻ)

Hình 1.6: Sơ đồ tơng tác từ thông trong nồi lò cảm ứng

Đ1.3 sự truyền năng lợng trong thiết bị gia nhiệt bằng tần số.

1.3.1 Nguyên lý nung nóng bằng dòng điện tần số cao.

Nung nóng bằng dòng điện tần số cao dựa vào nguyên lý sau:

Khi cho dòng điện xoay chiều qua cuộn dây, xung quanh nó sẽ sinh ra một từtrờng có tần số bằng tần số dòng điện Nếu đặt một dây dẫn (mẫu cần nung) trong từtrờng này thì dây dẫn sẽ sẽ tạo thành dòng điện cảm ứng (dòng điện xoáy hay dòngphu cô) và nung nóng nó Dòng điện cảm ứng cũng là dòng xoay chiều nên nó phân

bố không đều trong tiết diện dây dẫn, tần số dòng điện càng cao thì dòng điện tậptrung ở lớp bề mặt càng mỏng Sự phân bố dòng điện trong tiết diện dây dẫn có dạng

nh hình vẽ và tuân theo quy luật :

Im : Mật độ dòng điện ở bề mặt

giảm đi e lần so với Im

Một cách gần đúng, có thể coi  là chiều sâu lớp có dòng điện chạy qua và nóchính là chiều sâu lớp đợc tôi Chiều sâu lớp đợc tôi phụ thuộc vào tần số của dòng

điện, điện trở suất và độ từ thẩm của vật nung theo công thức:

Hình 1.7

Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ có thể biểu diễn theo quan hệ sau:

o(1t)Trong đó:

0

 : là điện trở suất ở nhiệt độ không tuyệt đối (00K)

 : là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ

Từ công thức trên thấy: Khi tăng nhiệt độ thì  cũng tăng nhng không nhiều

Sự thay đổi của độ thẩm từ  có tính đột biến Khi tăng nhiệt độ nhng cònthấp hơn điểm Curie (đối với sắt thì nhiệt độ =7680C) thì  hầu nh không đổi, nhngkhi vợt qua điểm Curie,  giảm đột ngột Tóm lại ta thấy rằng tăng nhiệt độ dới điểmCurie, chiều sâu của lớp có dòng điện chạy qua không thay đổi đáng kể, khi vợt qua

điểm Curie do  giảm đột ngột nên chiều sâu lớp có dòng điện chạy qua tăng mạnhvì thế mà tốc độ nung cũng giảm đi nhiều

Sự phân bố nhiệt độ trong khi nung nóng bằng dòng điện tần số cao có dạng

Hình 1.8: Sự phân bố nhiệt độ khi nung nóng bằng dòng tần số cao.

Khi nhiệt độ bề mặt thấp hơn điểm Curie thì nhiệt độ giảm đột ngột từ bề mặtvào lõi Khi nhịêt độ lớp bề mặt đã đạt đợc nhiệt độ Curie thì lớp này nung nóngchậm (T2)

1.3.2 Sự truyền năng lợng.

Năng lợng điện truyền từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng, biến đổithành năng lợng trờng điện từ Trong vật gia nhiệt, điện năng dòng (xoáy) cảm ứng đ-

ợc chuyển thành nhiệt năng

Khi truyền vào sâu trong kim loại, độ lớn của các vectơ E

và H (hai thànhphần của trờng điện từ) bị giảm dần và năng lợng trờng điện từ cũng giảm dần (theo

độ sâu truyền Z) Nh hình vẽ 1.9:

Độ sâu (theo chiều Z vuông góc với bề mặt vật gia nhiệt), tính theo công thức:

2503

 : Hệ số từ thẩm tuyệt đối của kim loại.a  0

 : Hệ số từ thẩm tơng đối của kim loại

Tính toán và thực tế cho thấy : Khi Z =  thì 0,864 phần năng lợng điện từ có

ở bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày  , còn 0,136 phần năng ợng điện từ tiếp tục truyền sâu vào lớp trong Nếu Z = 2. thì năng lợng điện từ mấtthêm 0,117S0 để đốt nóng kim loại tiếp theo (dày  ), nghĩa là mất tổng cộng 0,981S0

l-để đốt nóng lớp ở mặt ngoài của kim loại

Rõ ràng, tần số càng lớn (1.8) thì  càng nhỏ và năng lợng điện từ càng tậptrung đốt nóng ở lớp mặt ngoài của kim loại

Để tiện tính toán ngời ta hay dùng công thức tính theo số ampe-vòng Mật độnăng lợng tại mặt ngoài (mặt phẳng) sẽ là :

S0 =2.10-4 (I.W0)2 f W cm/ 2 (1.9)

Trong đó : I – Dòng điện của cuộn cảm ứng, [A]

W0 – Số vòng/cm chiều cao cuộn cảm ứng

  thì  1 và S0 tính cho mặt trụ giống nh cho mặt phẳng.

Thực tế, các chi tiết gia công có hình dạng phức tạp nh bánh răng, trục khuỷu,cam v.v… đang đà phát triển về sản l nhng đều có thể quy tụ về hai trờng hợp điển hình (mặt phẳng và mặt trụ)

đã xét

+ Công suất thấm vào vật gia nhiệt sẽ là :

P = S0.F , [W] (1.11) + Hệ số cos trong lò cảm ứng phụ thuộc khe hở giữa vật gia công và cuộn cảmứng

.

11

g han

vong c u kl

R r

gia nhiÖt t¨ng) vµ khi ®iÖn trë suÊt vßng.c. cña vËt liÖu lµm vßng c¶m øng t¨ng

NÕu vßng c¶m øng vµ kim lo¹i gia c«ng cïng chÊt th× giíih¹n chØ cßn phô thuéc

 t¨ng (líp thÊm t«i dµy) th× tÇn sè gi¶m

Víi líp thÊm t«i < 10mm, tÇn sè gia nhiÖt tèi u lµ :

 (10-6 m) 10 130 2 10 2,9 11,3

f (Hz) 50

10002500800070.000150.000250.000500.000

2,80,640,40,220,070,050,040,03

85,519,012,06,702,211,551,200,85

9,52,11,340,750,350,160,130,095

18,74,22,571,480,450,320,260,27

12,82,71,70,850,310,210,170,12

24,05,43,41,70,600,420,340,24

a) Máy phát điện tần số cao đã đợc chế tạo ở dải công suất 0,5  1500 kW và dảitần số 500  8000 Hz

Đối với tần số dới 500Hz, ngời ta dùng máy phát đồng bộ cực lồi có số cặp

60

np

, [Hz] (1.15) Trong đó : p – số cặp cực

N – tốc độ quay rôtor,[vg/ph]

CLVCKĐ

Hình 1.13: Mạch từ (a) và rotor (b) của máy phát cảm ứng có từ trờng đập mạch

Đối với tần số cao hơn, chế tạo các máy phát nh trên sẽ gặp nhiều khó khăn vì

số cặp cực tăng làm tăng kích thớc máy và việc tăng tốc độ quay cũng bị hạn chế do

độ bền cơ khí v.v… đang đà phát triển về sản l Vì vậy, ở tần số trên 500Hz ngời ta dùng máy phát cảm ứng có từtrờng đập mạch theo thời gian (máy phát sóng điều hoà răng)

Hình vẽ (1.13) biểu thị hệ từ của máy này Cuộn kích từ CKT phân bố trênstator Cuộn làm việc CLV (cuộn ứng) cũng phân bố trên stator (hình a) Rôtor không

có cuộn dây và có hình bánh răng (hình b) Khi rotor quay các đỉnh răng 1 và rãnhrăng 2 lần lợt qua các rãnh stator có đặt cuộn kích từ CKT Kết qủa là từ thông doCKT tạo ra có đặc tính đập mạch, lúc mạnh, lúc yếu Từ thông cắt các vòng dây CLVlàm xuất hiện trong CLV sức điện động cảm ứng Một chu kì thay đổi sức điện độngtrong bối dây phần ứng (CLV) ứng với rotor quay qua một bớc răng, nên số cặp cực ptơng ứng với số răng z2 của rôtor Từ đó tần số dòng của máy phát sẽ là :

 ; [Hz] (1.16)Trong đó : - Tần số góc, [rad/s]

Từ thông trong các răng rôtor không bị thay đổi theo thời gian nên hầu nhkhông có dòng xoáy phu cô trong rôtor Do vậy, rôtor có thể đúc liền hoặc ghép bằngcác lá thép kĩ thuật Còn ở hai rãnh stator, từ thông là đập mạch và gây ra tổn thấttrong thép nên stator đợc ghép lại từ các lá thép kĩ thuật

Việc làm mát máy phát có thể bằng quạt khí qua các rãnh gần vùng răng hoặclàm mát bằng nớc khi có công suất lớn

Kéo máy phát công suất lớn (trên 100kW) dùng động cơ đồng bộ Máy phátcông suất nhỏ hơn dùng động cơ không đồng bộ Động cơ kéo và máy phát có thể đ -

ợc ghép chung thành một khối thống nhất biến đổi tần số Các bộ biến tần có côngsuất trên 100kW thờng có trục đặt thẳng đứng để giảm diện tích lắp đặt

Để tối u hoá quá trình công nghệ gia nhiệt, việc điều chỉnh tự động dòng kích

từ máy phát là rất quan trọng, nhằm ổn định điện áp phát ra cấp cho lò cảm ứng hoặc

điều chỉnh điện áp theo trị số mong muốn (không dùng biến áp lò) Hoàn thiện nhấthiện nay trong việc này là dùng bộ biến đổi kích từ bằng tiristor, đảm bảo độ chínhxác ổn áp 1% với giải điện áp kích từ (0180)V Sơ đồ lực của bộ kích từ là cầu bapha không đối xứng Tạo xung điều khiển bằng các phần tử logic

Ưu điểm chính của các bộ biến tần máy phát là đơn giản về cấu trúc, độ tincậy cao, dễ sử dụng, có thể làm việc song song các máy phát, vốn thấp nhất là khicông suất lớn

Thiếu sót của các bộ biến tần loại này là có phần tử quay, khó sửa chữa, diệntích lắp đặt lớn, làm việc ồn, hiệu suất khi tải nhỏ, bôi trơn và làm mát phức tạp,không thay đổi đợc tần số.

Hớng hoàn thiện các bộ biến tần máy điện là sử dụng các vật liệu tốt để nângcao hiệu suất đến 85%

Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt bằng tần số dùng máy phát điện quay ở(hình1.14), trong đó máy phát dòng điện cao tần f(f) cấp cho dòng cảm ứng qua máybiến áp phối hợp BA (để thay đổi điện áp phù hợp với vòng cảm ứng) Bộ tụ C để bùcos Máy cấp cho hai vòng cảm ứng 1CƯ và 2CƯ làm việc luân phiên để tận dụngcông suất Một vòng nấu luyện thì vòng kia lấy sản phẩm, chuẩn bị mẻ sau… đang đà phát triển về sản l

b ) Đèn phát tần số dùng trong thiết bị gia nhiệt bằng tần số thờng dùng đèn 3 cựcchân không Tần số phát từ vài chục kHz đến vài trăm MHz

Đèn đợc làm mát bằng không khí (công suất vài kW) hay bằng nớc (công suấtlớn hơn, tới ngoài 100kW)

Khi làm việc, nhiệt độ katot tăng từ nhiệt độ môi trờng tới hơn 2000oC và điệntrở của nó tăng tới 10 lần Do đó, khi bắt đầu làm việc không đợc cấp ngay điện áp

định mức vì dòng katot sẽ quá lớn gây hỏng đèn mà phải qua nhiều nấc tăng dần Lúclàm việc cũng cần ổn định điện áp sợi đốt vì tăng điệnáp 1% sẽ làm tuổi thọ đèn giảmhơn 10%

Khuyết điểm quan trọng của đèn phát là hiệu suất thấp và tuổi thọ nhỏ Sợi

đốt của đèn tiêu thụ từ 8  30% công suất đèn

Các đèn công suất dới 200kW thờng kín và hút chân không khi chế tạo Các

đèn có công suất lớn hơn, đến 500kW thờng hở Có thể thay các bộ phận bên trong

đèn lúc h hỏng Khi đèn làm việc, đèn mới đợc hút chân không

Mạch điện của đèn phát phức tạp Năng lợng từ lới phải qua nhiều khâu mớitới vật gia nhiệt Do vậy hiếu suất thiết bị thấp

Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt dùng đèn phát nh (hình 1.15) điện áp lới quamáy tăng áp BA đa lên 6 hay 10 kV rồi đợc nắn thành dòng một chiều nhờ chỉnh lucao áp CL để cấp cho đèn phát ĐF Đèn phát dòng cao tần cho vòng cảm ứng CƯ.Mạch không chế KC để đóng cắt và điều chỉnh điện áp chỉnh lu Mạch phản hồi FH

về lới đèn phát nhằm ổn định tần số phát và điều chỉnh chế độ gia nhiệt khi các thông

số tải thay đổi cũng nh đảm bảo hiệu suất đèn cao

c ) Biến tần tiristor phổ biến gồm hai khâu cơ bản : Chỉnh lu có điều khiển CL và nghịch lu độc lập NL (Hình1.16).

Khi tiristor 1T thông tụ C đợc nạp đến điện áp 2U Nh sơ đồ thì bản cực bêntrái có tính dơng(+) Lúc tiristor 2T thông thì tụ C phóng điện qua cả 2 tiristor Dòng

ra 1T ngợc chiều với dòng phóng của tụ C sẽ nhanh chóng giảm về 0 và 1T khoá.Dòng qua 2T cùng chiều với dòng phóng của tụ C sẽ nhanh chóng tăng tới trị số địnhmức, nạp điện cho tụ C với cực tính ngợc lại Khối phát xung FX cấp các xung điềukhiển 1T, 2T lệch pha nhau 1800 Khi đó cuộn sơ cấp biến áp 2BA có dòng xoaychiều có tần số của các xung mở các tiristor Cuộn thứ cấp sẽ cảm ứng dòng cùng tần

số, cấp cho vòng cảm ứng

fx

nl c

u 2ba

c

cl +

Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25

30% công suất hữu ích của thiết bị Do vậy cần làm mát vòng cảm ứng

Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2  5A/mm2 Làm mátbằng nớc chảy trong vòng cảm ứng rỗng tiết diện tròn, ô van hay chữ nhật cho phépmật độ dòng điện tới 50  70 A/mm2 Dây dẫn làm vòng CƯ có thể rỗng vì dòng caotần chỉ phân bố ngoài phía dây Trong giải tấn số radio, thờng dùng ống 1 0,5mm

1.4.3 Tụ điện.

Tụ điện dùng trong các sơ đồ của thiết bị gia nhiệt tần số nhằm làm chức năngphân li dòng điện một chiều hoặc bù cos

Các tụ này phải là các tụ chịu điện áp cao (tới 1000V) và chịu tần số cao (tới10kHz) tuỳ theo thiết bị gia nhiệt.

đến tiếp điểm dập hồ quang

1.4.5 Dây dẫn cao tần.

Đặc trng của dây dẫn cao tần là có cảm kháng đặc biệt lớn do hiệu ứng bề mặt,

hỗ cảm và chúng phụ thuộc vào tần số Dây dẫn cao tần trong thiết bị gia nhiệt bằngtần số thờng là thanh cái phẳng, ống rỗng có nớc làm mát, cáp đồng trục cao tần haycáp một ruột, nhiều ruột thông thờng

Cáp đồng trục có trở kháng và cảm kháng nhỏ so với các loại dây dẫn khácnhng nó có cấu tạo phức tạp và tốn vật liệu hơn

Hiện nay, đã có những cáp lực cao tần đặc biệt chịu dòng tới 500A, tần số10kHz và điện áp tới 2kV

chơng 2 giới thiệu về máy gia nhiệt.

Đ2.1 Giới thiệu về các lò điện luyện thép

Trong ngành công nghiệp luyện kim, luyện thép trong lò điện là một khâu rấtquan trọng Nhiệm vụ của luyện thép lò điện là hoàn nguyên các nguyên tố kim loại

Fe, Mn … đang đà phát triển về sản l ở trong các ôxít của chúng để thu đợc thép và hợp kim có thành phần hoáhọc Để luyện kim thép trong lò điện, ngời ta đã tận dụng năng lợng điện nh nguồnphát nhiệt, nghĩa là biến điện năng thành nhiệt năng để nung chảy kim loại Nhờ vậy

mà lò điện thu đợc nguồn nhiệt lớn nên nó có nhiều u điểm hơn so với lò Máctanh

Trong luyện thép lò điện, tùy theo phơng pháp làm việc, lò điện chia làm 3

Theo các phơng thức gia nhiệt khác nhau thì lò hồ quang đợc chia làm ba loại:

a) Lò hồ quang tác dụng trực tiếp: Hồ quang sinh ra tiếp xúc trực tiếp với vật cần

gia nhiệt do đó bảo vệ đợc gạch chịu nóng của nắp lò không bị cháy

b) Lò hồ quang tác dụng gián tiếp: Hồ quang sinh ra giữa hai thanh điện cực nằm

song song với vật thể cần gia nhiệt và cách vật thể cần gia nhiệt một khoảng, dùng đểnấu kim loại màu và sản xuất gang dập vì ở đây không đòi hỏi nhiệt độ cao

c) Lò hồ quang phủ kín: Hồ quang cháy dới lớp nguyên liệu rắn mà lớp này bao phủ

xung quanh các cực điện dùng để nấu phe rô từ quặng ra do hồ quang cháy rất mạnh,nhiệt độ rất cao

2.1.2 Lò điện trở.

Là loại lò biến điện năng thành nhiệt năng để nung vật phẩm Nhiệt đợc truyềncho vật nung bằng bức xạ nhiệt và đối lu hay là dẫn truyền nhờ dòng điện đi vào cuộndây có điện trở rất cao, sau đó nhiệt độ của điện trở này trực tiếp nung vật phẩm

Theo phơng pháp nung, ngời ta chia làm hai kiểu nung:

a) Nung trực tiếp:

Dòng điện trực tiếp qua cuộn dây điện trở và nhờ đó mà nung trực tiếp vậtphẩm

b) Nung gián tiếp:

Nhiệt truyền bằng cách bức xạ, đôi lúc truyền bằng đối lu, sau đó nhiệt độ từ

bộ phận kia nung gián tiếp vật phẩm

ĐX

2CD

Cách ly Lực Máy cắt

Vì ở sơ đồ, lò một pha công suất lớn đợc nối vào một pha C nên để tạo cânbằng pha, có khối đối xứng ĐX gồm cuộn kháng Ls nối theo sơ đồ có điểm giữa và

bộ tụ Cs có thể thay đổi điện dung nhờ công tắc Ks Điều chỉnh điện dung Cs có thể

bằng tay hay tự động Để tận dụng thiêt bị, ngời ta dùng hai lò 1CƯ và 2CƯ làm việcluân phiên nhau nhờ cầu dao 1CD và 2CD Để sấy lò hay tăng dần nhiệt độ khi bắt

đầu nấu luyện, lò thờng có biến áp nhiều cấp hay biến áp tự ngẫu mở máy với côngsuất 3050% công suất định mức của lò Khi làm việc binh thờng thì máy biến áp

mở máy đợc ngắt ra

2.2.2 Lò cảm ứng cao tần dùng máy phát.

Nh (Hình 2.2), tập hợp thiết bị bao gồm : bộ biến tần máy điện quay (Đ-F), bộkích từ tiristor cho máy phát KT, bộ tụ bù cos có điều chỉnh hệ số bù (C và Kc), cáccuộn cảm ứng 1CƯ và 2CƯ có thể điều chỉnh số vòng bằng tay, hệ thống đo lờng vàthiết bị bảo vệ

Trong trờng hợp riêng, thiết bị có thể có bộ biến tần phụ công suất bằng 25% công suất bộ chính Bộ biến tần phụ dùng duy trì nhiệt độ lào nấu chảy kim loại trongthời gian rót hay khi sấy lò Trong thời gian này thì bộ biến tần chính làm việc với lò thứ hai

2.2.3 Lò tôi cao tần dùng dèn phát.

(Hình vẽ 2.3) là sơ đồ lò tôi cao tần với tần số 440kHz 2,5%

C4 C3 C5 C6 C7 C8 B1 B2 B3 B4 B5 B6 L6 L7

C2

L3 L4

C1 L1 L2

Tới R thoát

Tới

ÔST Tới BA sợi đốt

Tới ÔST

2BA 3BA

Đ9

Đ8 1BA

Mạch vòng anôt tạo bởi cuộn dây L2 và tụ điện C1 với cuộn ngắn mạch điều

chỉnh công suất L1 Cuộn L1 có thể điều chinh trơn công suất mà không thay đổi tần

số dòng ở 440kHz và có kích thớc rất nhỏ Điều chỉnh công suất nhờ thay đổi vị trí

t-ơng đối của L1 đối với L2

Mạch vòng tải có biến áp hạ áp với các cuộn L5  L7 và các tụ điện C3  C8

có thể thay đổi trị số điện dung nhờ các cầu dao B1  B6 để đảm bảo tần số dòng

điện trong giới hạn 440kHz  2,5% (11kHz) Với các thông số khác nhau của

vòng cảm ứng L7, giá trị bộ tụ C3  C8 cần thay đổi để các thông số mạch vòng tải

phù hợp với các thông số mạch vòng anôt và phù hợp với các thông số của đèn phát

Điện áp phản hồi rơi trên tụ C2 và có thể dịch chuyển trơn trị số nhờ dịch

chuyển vòng ngắn mạch L4 đặt trong cuộn L3

Chế độ nung của lò đợc điều khiển không phải từ lới đèn phát ĐF mà bằng

thay đổi điện áp anôt cấp từ chỉnh lu cầu ba pha có đèn nắn 0 bằng các đèn tiratron

Đ1  Đ7 Điều chỉnh điện áp chỉnh lu từ 0 đến giá trị định mức nhờ thay đổi góc

điều khiển các tiratron có điều khiển Đ4  Đ7

Sơ đồ đảm bảo ổn định điện áp anôt trong phạm vi 0,75 0,85 giá trị định

mức với sai số (12)% khi điện áp lới dao động (1015)% Trên lới các đèn Đ4

 Đ7 đồng thời đặt 2 điện áp

Điện áp dơng một chiều đặt trớc lấy từ chỉnh lu điot kép Đ9 Nguồn chỉnh lu

đợc cấp từ bộ ổn áp sắt từ qua các biến áp tự ngẫu 3BA và biến áp 2BA Điện áp này

không phụ thuộc vào dao động của điện áp lới và khi thay đổi đợc điện áp này sẽ điều

chỉnh đợc điện áp ra cấp cho anôt đèn ĐF

Điện áp âm một chiều lấy từ 2 đèn chỉnh lu Đ8 không ổn áp và điện áp xoay

chiều lấy từ biến áp 1BA Hai thành phần này thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp lới Khi

điện áp lới giảm sẽ làm giảm điện áp điều khiển và góc điều khiển  bị giảm, dẫn tới

điện áp ra của các tiratron tăng lên, giữ trị số ổn định Khi điện áp lới tăng lên thìdiễn biến ngợc lại Vậy, thành phần này chống lại ảnh hởng của sự thăng giáng điện

áp lới

Khoá chuyển đổi K cho phép đóng chỉnh lu điôt theo sơ đồ cầu ba pha (nắnhai nửa chu kì) trong giai đoạn làm việc bình thờng

2.2.4 Thiết bị cao tần để iôn hoá khí.

(Hình 2.4) cho sơ đồ của thiết bị này

I >

2BA

L5 L6

Hình 2.4: Thiết bị cao tần để iôn hoá khí.

Mạch vòng tải tạo bởi cuộn cảm ứng L4 và tụ điện chân không C11 Khí cầniôn hoá, khí thổi qua L4 sẽ đợc đốt nóng bởi trờng điện từ, bị iôn hoá Phơng phápnày đê tạo khí iôn hoá trong một số công nghiệp và dùng mỗi hồ quang lò hồ quangplasma

Mạch vòng anôt tạo bởi cuộn L3 có cuộn điều chỉnh công suất L2 và tụ điệnC8 Các phần tử khác là cuộn phản hồi L5 có thể thay dổi trị số phản hồi nhờ cuộnngắn mạch L6 và các tụ điện hản hồi C9, C10

Các tụ C1  C5 là tụ xuyên, ngắn mạch trực tiếp dao động cao tần với đất

Đèn phát ĐF đợc cấp nguồn đốt catôt từ ổn áp sắt từ ÔST qua biến áp 2BA.Các cuộn L7, L8 và tụ C6, C7 trong mạch sợi đốt dùng để chống sự thâm nhập cácdao động cao tần 5,8MHz và các sóng điều hoà bậc cao vào lới

Chỉnh lu anôt tạo bởi cầu ba pha có đèn nắn 0 bằng các đèn tiratron Đ1  Đ7

và đèn dự trữ Đ8 Bộ lọc L11 - L12 dùng san bằng dòng chỉnh lu đập mạch

Các rơle dòng cực đại R1, R2 ở mạch sơ cấp biến áp 1BA để bảo vệ khi có sự

cố (quá tải, ngắn mạch) ở sơ đồ cầu Các rơle R3 ở mạch anôt và R4 ở mạch l ới đèn

ĐF bể bảo vệ đèn khi chế độ làm việc sai lệch

2.2.5 Thiết bị cao tần gia nhiệt chất điện môi.

7R N3

13R

4K

7R 2R

ÔST Tới 7BA

B2

Tới tụ làm việc C14 L5 L6

C6

R2 C13 C10

4CV-7CV

5BA

6BA

11R KV

phản hồi điện dung giữa anôt và lới (sơ đồ katôt chung) Điện áp anôt đợc cấp qua bộ

lọc tạo bởi các tụ C1, C2, C3 và 2 cuộn L1, L2, đảm bảo giảm các thành phần cao tần

của điện áp anôt đến mức cho phép Tần số phát trong giới hạn (13,561%)MHz

Mạch vòng dao động gồm tụ C14 có điện dung thay dổi đợc, cuộn dây anôt

L4, tụ C5 mà khi cần thiết có thể ngắn mạch bằng thanh nối, Phiđơ (feeder) đồng trục

và tụ làm việc

Sự phù hợp đèn phát với tải thực hiện bằng sự thay đổi điện dung C14, cuộn

anôt L4 và khi cần thiết, bằng cảm kháng ở mạch vòng tải

Điện áp “mối” dao động tự kích bởi cuộn L5 có điều chỉnh trong mạch

lới-catôt

Phân chia các thành phần dòng một chiều và xoay chiều trong mạch lới và

mạch anôt đợc đảm bảo bởi các cuộn chặn L3 và L6 và tụ phân ly C4, C6 tơng ứng

Các tụ C7 và C8 để thoát các thành phần cao tần của điện áp anôt xuống đất Cuộn

L7 để bảo vệ tụ làm việc khỏi điện áp cao một chiều trong trờng hợp tụ phân li anôt

C4 bị đánh thủng Các tụ C9 và C10 để “khoá” các điện trở chống (dao động) kí sinh

R1 và R2

Điện áp cấp cho sợi đốt ĐF lấy từ biến áp 7BA qua ổn áp sắt từ ÔST

Chỉnh lu cao áp bằng đèn tiratron mắc theo sơ đồ cầu có đèn nắn 0 Đ7 và cũng

là đèn điều khiển ổn áp Trong sơ đồ, các đèn Đ4, Đ5, Đ6 là có điều khiển, còn các

đèn Đ1, Đ2, Đ3 là không điều khiển

Sơ đồ đảm bảo điện áp chỉnh lu với sai lệch 2% khi điện áp lới dao độngtrong giới hạn 10% ổn áp không duy trì đợc khi không có dòng tải Quá trình điềukhiển và ổn định điện áp chỉnh lu tơng tự nh sơ đồ (hình 2.3) Sơ đồ cho phép điềuchỉnh bằng phẳng điện áp chỉnh lu cao áp qua việc đóng, ngắt điện áp dơng đặt vào l-

ới các đèn có điều khiển Đ4 Đ7

Nguồn cấp cho các biến áp sợi đốt đèn ĐF và Đ1  Đ7 (7BA và 8BA) là ổn

áp sắt từ ÔST

Sau khi đóng máy cắt MC, rơle 3R có điện sẽ đóng mạch cho khởi động từ 4K

để chạy động cơ bơm nớc làm mát đèn ĐF và cấp điện cho 3BA Khi nớc làm mát đã

có rơle dòng nớc 13R tác động, đóng mạch đèn báo Đ9 và cho phép thiết bị vào làmviệc

Sơ đồ cấp điện áp đốt sợi đốt theo 2 cấp Khi ấn nút N3, côngtăctơ 7K tác

động, cấp dòng cho ÔST để cấp điện áp mức đầu cho sợi đốt Mức sau tự động đóngsau 30s do rơle nhiệt băng kép 8R tác động, cấp điện cho côngtăctơ 9K Sau khi biến

áp anôt đã có nớc làm mát và đủ áp suất thì rơle áp suất 14R tác động Đèn báo Đ10

và Đ11 sáng

ấn N14, côngtắctơ 10K sẽ tác động, đóng mạch cấp cao áp cho chỉnh lu khoá

Đèn báo Đ12 và Đ13 sáng ấn tiếp N5, biến áp tự ngẫu 6BA có điện qua tiếp điểmthờng mở của rơle 11R Đèn báo Đ14 sáng báo đã đóng dao động cao tần Rơle 12Rcũng có và sau một thời gian sẽ ngắt mạch rơle 11R Khi đó mạch cấp cho biến áp6BA bị cắt và dao động cao tần bị cắt Thời gian duy trì của 12R tơng ứng thời giangia công

Điều khiển tụ C14 nhờ các nút N1 và N2 để chạy động cơ M1 quay tụ

Dừng thiết bị thì tiến hành theo thao tác ngợc lại

1R và 2R là các rơle dòng cực đại bảo vệ ngắn mạch Các tiếp điểm thờng

đóng của chúng ta sẽ cắt mạch côngtăctơ 10K

Bảo vệ quá tải mạch anôt đèn ĐF bằng rơle dòng cực đại 17R Bảo vệ chế độtĩnh của mạch lới đèn ĐF bằng dòng điện cực

Chơng 3 Phân tích lựa chọn phơng án thiết kế.

Ngời ta có thể phân loại nghịch lu theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lu

nh nghịch lu áp, nghịch lu dòng, nghịch lu cộng hởng

Nghịch lu cộng hởng là các bộ biến đổi đặc biệt thờng dùng tiristor Đặc điểmcơ bản của nghịch lu cộng hởng là có phụ tải là một mạch vòng dao động với dònghoặc áp có dạng hình sin, do đó các tiristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tự nhiên

Nghịch lu cộng hởng thờng đợc sử dụng để tạo dòng điện, điện áp gần sin vớitần số tơng đối cao (từ vài trăm Hz đến 30kHz) Nghịch lu cộng hởng có ứng dụngrộng rãi trong lĩnh vực gia nhiệt cảm ứng, nấu thép cảm ứng, trong đó dòng điện cảmứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng lợng làm tăng nhiệt độ của vật cần nung,không cần đến sự tiếp xúc giữa nguồn nhiệt và vật bị nung nóng

Trong lò nấu thép trung tần, nguồn điện cấp cho vòng dây của lò là nguồn códòng cao; nguồn phải cung cấp cho lò một dòng điện lớn để tạo dòng điện xoáy cộnghởng trong vòng dây cảm ứng nên ở đây ta sử dụng nghịch lu cộng hởng nguồn dòngmột pha

Sơ đồ nghịch lu cộng hởng dùng sơ đồ cầu một pha đối xứng dung tiristor vàbiểu đồ xung nh hình vẽ 3.1, 3.2

Các tín hiệu điều khiển đợc đa vào từng đôi tiristor T1, T2 lệch pha với tín hiệu

điều khiển đa vào đôi T3, T4 một góc 180o

Điện cảm đầu vào của nghịch lu đủ lớn (Ld = ), do đó dòng điện đầu vào đợcsan phẳng (hình 3.2), nguồn cấp cho nghịch lu là nguồn dòng và dạng dòng điện củanghịch lu (iN) có dạng xung vuông

LT

T

T

Ti

Z

CI

4

1 d

d

c

3

2 z

Ni

-(-) (+)

Hình 3.1: Sơ đồ cầu một pha

t t t t t t

t t' tU

i i i i

i 0

T

i

T1 T2 T1 Z

C d

Hình 3.2: Biểu đồ xung của Sơ đồ cầu một pha

Khi đa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id Đồng thời dòng qua

tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu đợc nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ởbên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không Do iN=iC+iZ=id=cosnt nên lúc

đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên Sau một nửa chu kì (t=t1) ngời

ta đa xung vào mở xung T3, T4 Cặp T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từcực “+” về cực “- ” Dòng phóng ngợc chiều với dòng qua T1và T2 sẽ làm cho T1 và T2

bị khoá lại Quá trình chuyển mạch xảy ra gần nh tức thời Sau đó tụ C sẽ đợc nạptheo chiều ngợc lại với cực tính “+” ở bên phải và cực tính “-” ở bên trái Dòngnghịch lu iN = id = Id nhng đã đổi dấu Đến thời điểm t = t2, ngời ta đa xung vào mở T1,

T2 thì T3, T4 sẽ bị khoá lại và quá trình lại đợc lặp lại nh trớc Nh vậy chức năng cơbản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristor ở thời điểm t1, khi mở T3

và T4 , tiristor T1và T2 sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngợc của tụ C đặt lên (hình vẽ 3.1).Khoảng thời gian duy trì điện áp ngợc t1t1, là cần thiết để duy trì qua trình khoá vàphục hồi tính chất điều khiển của van và t1 t1,  t k t off ; toff là thời gian khoá củatiristor hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển

Đ3.2 Phân tích lựa chọn phơng án chỉnh lu.

Vì nguồn cấp cho mạch chỉnh lu là nguồn 3 pha, công suất trên tải

Pd=1250(kW) tơng đối lớn nên ta sẽ dùng mạch chỉnh lu cầu 3 pha Vì phần nghịch luyêu cầu phần chỉnh lu phải điều khiển đợc điện áp ra nên ta sẽ dùng mạch chỉnh lu 3pha sơ đồ cầu có điều khiển

Có 2 sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển:

3.2.1 Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng.

Sơ đồ nguyên lý:

- Các Điốt tự dẫn khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều.

*Giản đồ các đờng cong cơ bản nh sau:

f U

T1 i

i D1

a1 i

6U  U d (U2: Điện áp pha sơ cấp máy biến áp)

+ Dòng trung bình qua van:

ITBmax =

3I

3

 Điện áp cực đại trên tải (ứng với  = 0):

max d 2

2

6 3

2 U

U 2

6 3

U 0

1 P 3

+ Khi mạch có chức năng điều chỉnh công suất:

max d

3.2.2 Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển đối xứng.

- Sơ đồ nguyên lý:

- Giản đồ các đờng cong cơ bản nh sau:

T1 U

i a1

T4 i

i T1

0

0

d U

T

A U

U C B

+ Điện áp ngợc cực đại trên van:

Ungmax = 2 Udmax

3 U

- Công suất máy biến áp:

+ Khi mạch có chức năng điều chỉnh công suất: BA Pdmax

3

+ Khi mạch có chức năng ổn áp một chiều:

max tg

1 P 3

Với sơ đồ điều khiển đối xứng:

2

0    Còn sơ đồ điều khiển không đối xứng: 0

Thứ ba, hiệu suất sử dụng máy biến áp ở sơ đồ điều khiển không đối xứng tốthơn sơ đồ điều khiển đối xứng vì:

Cosba = cos

2

 với sơ đồ điều khiển không đối xứngCosba = cos với sơ đồ điều khiển đối xứng

Thứ t, cùng với sự điều chỉnh góc  thì đồ thị điện áp Ud và dòng điện các pha

ia, ib, ic ở sơ đồ điều khiển đối xứng luôn luôn giữ đợc tính đối xứng Còn ở sơ đồ điềukhiển đối xứng thì tạo ra sự mất tính đối xứng ở điện áp tải và dòng điện các pha Nhvậy, hệ thống lọc thành phần xoay chiều tần số cao ở sơ đồ điều khiển không đốixứng rất phức tạp và làm tăng trọng lợng kích thớc bộ biến đổi nên giá thành đắt vàkhông kinh tế

Do vậy, ta sẽ chọn bộ chỉnh lu điều khiển đối xứng 3 pha sơ đồ cầu

Chơng 4 Tính toán thiết kế mạch lực

Đ4.1 Tính chọn van chỉnh lu.

Nh đã phân tích ở trên, u, nhợc điểm của 2 sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha có điềukhiển đối xứng và chỉnh lu cầu 3 pha không đối xứng có điều khiển, ta chọn sơ đồchỉnh lu cầu 3 pha có điều khiển đối xứng

2T6

T

Hình 4.1: Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha đối xứng.

Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lu là điện áp

và dòng điện, các thông số còn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn

Khi đã đáp ứng đợc hai thông số cơ bản trên các thông số còn lại có thể thamkhảo theo gợi ý sau:

- Loại van nào có sụt áp U nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn

- Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lợng tốt hơn

- Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn

- Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khiểnthấp hơn

- Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn Tuy nhiên trong đa sốcác van bán dẫn thời gian chuyển mạch thờng tỷ lệ nghịch với tổn hao công suất

* Các van động lực đợc lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: dòng tải, sơ đồ

đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc

4.1.2 Tính dòng điện của van.

Dòng điện làm việc của van đợc chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua vantheo sơ đồ đã chọn (Ilv = Ihd) Dòng điện hiệu dụng đợc tính:

Ihdv = khd Id (4.3)

Với: Id =

31250.10

Dòng điện định mức của van (Iđmv) có thể chọn theo gợi ý sau: khi không cánhtoả nhiệt và tổn hao trên van P<20W đợc chọn dòng điện làm việc tới 10%Iđmv

(Iđmv10Ilv), khi có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt cho phép van làm việc tới40Iđmv (Iđmv>2,5.Ilv), khi có cánh toả nhiệt đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió

có thể cho phép van làm việc tới 60Iđmv (Iđmv > 1,6.Ilv ), khi có điều kiện làm mátbằng nớc có thể cho phép làm việc gần tới 100 Iđmv

Vì quá trình thông gió tự nhiên không đợc tốt lắm, do đó khi tổn hao trên van

PV=UV.Ilv cỡ khoảng 100 W/van trở lên, việc đối lu không khí tự nhiên xung quanhcánh toả nhiệt xảy ra chậm, nhiệt độ toả ra môi trờng không kịp Vì vậy theo kinhnghiệm, khi PV > 100 W/van cần có quạt làm mát cỡng bức

ở đồ án này ta thiết kế làm mát bằng nớc nên ta chọn Itbc Itbt

Vậy với Ungmax= 1836(V); Ihdv=745(A) ta chọn đợc 6 Tiristor do Trung Quốc sản

xuất kí hiệu: Y55KPE có các thông số:

Điện áp điều khiển 5V

Hình 4.2: Hai tiristor chỉnh lu với hệ thống làm mát bằng nớc.

Đ4.2 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc.

Cuộn kháng lọc (cuộn kháng một chiều) có tác dụng lọc để tạo dòng điện mộtchiều bằng phẳng hơn chất lợng tốt hơn sinh ra sau chỉnh lu Điện kháng của điệncảm L (Xd=L) càng lớn so với điện trở tải Rd thì lọc càng tốt Vì tải công suất lớnthờng có trị số Rd nhỏ nên điều kiện này càng dễ thực hiện khi dòng tải càng tăng, do

đó lọc loại này rất phổ biến trong mạch công suất lớn và có quan hệ giữa trị số điệncảm và hệ số bộ lọc nh sau:

2 1

1

d sb dm

R

m 

lu là cầu 3 pha đối xứng

0,761284

d d

Vậy: Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: Lk= 16.10-3 H

Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: Iđm = 1284 ABiên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1đm = 5% Iđm= 64,2 A

* Các bớc tính toán:

- §iÖn ¸p xoay chiÒu r¬i trªn cuén kh¸ng läc

- Tính điện trở của dây quấn ở t0 = 200C đảm bảo độ sụt áp cho phép:

/

k d px

r S l

Chọn loại thép 330A, tấm thép dày 0,35 mm

- Ta có dòng điện chạy qua cuộn kháng: iT = Iđm + i1đmCos(6 + 1)

Hình 4.4: Hình dáng ống làm cuộn kháng.

Từ đó ta có :

R2 r2

S Cu  