Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép

Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép

Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 1 - Mc lc: Lời nói đầu .2 Chơng I: Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật . 3 1. Khái niệm .3 2. ứng dụng v u nhợc điểm .3 3. Tính chất công nghệ .3 4. Xác định khoảng thời gian nung 6 5. Yêu cầu chất lợng, đặc điểm nguồn cấp v cấu tạo thiết bị .7 Chơng II: Đề xuất các phơng án và lựa chọn phơng án8 1. Sơ đồ nghịch lu áp một pha 8 2. Sơ đồ nghịch lu dòng một pha 9 3. Nghịch lu cộng hởng 11 Chơng III: Tính toán mạch lực . 14 1. Lựa chọn các van 15 2. Xét mạch bảo vệ van mạch lực tránh quá dòng, áp 16 ChơngIV: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển . 18 I. Nguyên lý mạch điều khiển .18 1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 18 2. Chức năng các khâu trong mạch điều khiển .18 II. Tính toán thiết kế mạch điều khiển .20 1. Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động 20 2. Tính toán khâu chia xung v phân kênh .21 3. Tính toán khâu khuếch đại sửa xung 23 4. Tính toán khâu phản hồi .25 5. Tính toán thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển .26 Kết kuận . Tài liệu tham khảo Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 2 - Lời nói đầu Trong những năm gân đây, sự ra đời v phát triển nhanh của các thiết bị điện tử công suất, cùng với sự phat triển của xã hội đã tạo nên thay đổi sâu sắc v ton diện của ngnh kỷ thuật điện nói chung va các ngnh biến đổi điện năng nói riêng. Các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngy cng thể hiện rõ các u việt nổi bật nh: kích thớc gọn nhẹ, độ tác động nhanh, lm việc ổn định với độ tin cậy cao, gia thnh hạ, cũng chính nhờ những u điểm đó m các thiết bị bán dẫn dã v đang xâm nhập vo nhiều lĩnh vực nh:công nghiệp dệt may, sản xuất, điện năng, sản xuất giấy, cùng với xu hớng ấy, các nh máy luyện kim đã đa vo phơng pháp tôI thép mới v hiện đại đó l tôI thép bằng phơng pháp cảm ứng hay còn gọi l tôI tần số cao. Công nghệ tôI thép cảm ứng với khản năng tự động hoá cao, quá trìng điều khiển đơn giản, đảm bảo năng suất v chất lợng cua vật tôI đã v đang đợc ứng dụng trong thực tế, cung cấp phần no sản luợng thép đáp ứng nhu cầu ngời tiêu dùng. Đối với sinh viên ngnh tự đông hoá,Điện Tử Công suất l một trong những môn học quan trọng, không thể thiếu. Để nắm vững kiến thức biết áp dung vo thực tế biến kiến thức của thầy cô thnh kiến thức bản thân v bắt đầu l m quen với đồ án tạo tiền đề cho đồ án tốt nghệp sau ny. Trong kỳ ny đề ti em đợc giao: Thiết kế phần nghịch lu của bộ nguồn cho lò tôi thép l một đề ti không mới, có nhiều ti liệu tham khảo v đề cập, tuy nhiên thực tế để hiểu sâu v phân tích thấu đáo các vấn đề của ton bộ đề ti lại đòi hỏi ngời thực hiện một quá trình lm việc nghiêm túc, miệt mi. Hon thnh đồ án ny, em xin chân thnh cảm ơn thầy Dơng Văn Nghi, thầy Võ Minh Chính cùng các thầy giáo đã nhiệt tình hớng dẫn, chỉ bảo. Do đây l lần đầu tiên thực hiện lm đồ án nên không thể mắc phải sai sót, em mong đợc sự chỉ bảo tận tình của các thầy. Em xin chân thnh cảm ơn! H Nội tháng 5 năm 2006 Sinh viên thực hiện: Ngô Trí Kỳ Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 3 - Chơng i: Giới thiệu công nghệ v yêu cầu kỹ thuật 1. Khái niệm: Lò tôi cảm ứng l thiết bị biến điện năng thnh nhiệt năng dựa vo hiện tợng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần. 2. ứng dụng và u nhợc điểm: Lò tôi cảm ứng hiện nay đợc sử dụng rất rộng rãi trong ngnh luyện kim, đây l phơng pháp nhiệt luyện tiên tiến, chủ yếu dùng để tôi bề mặt. Nó có những tính năng u việt sau : - Có thể truyền nhiệt lợng cho vật cần tôi một cách trực tiếp, nhanh chóng không cần qua khâu trung gian do đó có thể tiến hnh tự động hoá sâu v hiệu suất cao. Đồng thời, do thời gian nung ngắn nên bề mặt sản phẩm không bị oxihoá - Có thể tiến hnh gia nhiệt trong các môi trờng khác nhau nh môi trờng trung tính, chân không một cách dễ dng. - Do đặc điểm của phơng pháp m chi tiết đem tôi có độ cứng bề mặt cần thiết trong khi vẫn giữ đợc độ dẻo thích hợp trong lõi đảm bảo đợc các yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với chi tiết đem tôi. Mặt khác, lò tôi cảm ứng có thể tôi đợc các chi tiết có hình dạng phức tạp m các phơng pháp khó có thể đáp ứng ví dụ nh các trục khuỷu, bánh răng, vấu . - Do có thể tự động hoá sâu m năng suất lao động đợc nâng lên, điều kiện lao động cũng đợc cải thiện. Tuy nhiên, nó cũng có những nhợc điểm: Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 4 - - 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, ngoi 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 lm 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 l tải cảm: Lò tôi cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tợng cảm ứng điện từ, gồm các cuộn dây đợc cấp nguồn có tần số cao; khi cho tải đi qua l các chi tiết bằng thép cần tôi thì chúng đợc nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản thân chi tiết. Xét một cuộn dây quấn xung quanh lõi thép, khi đặt vo 2 đầu của cuộn dây ny một điện áp xoay chiều hình sine sẽ lm phát sinh một dòng điện có cờng độ i đi qua cuộn cảm: i = I 0 .sin(t) Trong cuộn cảm xuất hiện một suất điện động tự cảm: e = -L dt di = -LI 0 0 cos(t) Giả thiết điện trở R của cuộn cảm bằng không, khi đó ta có định luật Ôm cho đoạn mạch sẽ l: u = R.i-e = LI 0 0 cos(t) = LI 0 0 sin(t+/2) => u = U 0 sin(t+/2) Nh vậy hiệu điện thế ở hai đầu cuộn cảm (không có điện trở) biến thiên điều ho cùng tần số góc với dòng điện qua cuộn cảm v sớm pha hơn dòng điện /2 Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 5 - - Để nghiên cứu quá trình truyền năng lợng điện từ từ nguồn điện vo thanh kim loại ngời ta sử dụng phơng trinh Macxoel trong trờng điện từ: rot H = j + t D ; div H =0; rot E = - t B ; div E=0; trong đó: B=H : độ từ cảm,[T]; H cờng độ từ trờng, [H] D= 0 E : điện cảm,[C/ m 2 ]; E cờng độ điện trờng, [V/m] j =E = E/ - mật độ điện dẫn =1/ - điện trở suất của kim loại - điện dẫn suất của kim loại Qua biến đổi ta đợc năng lợng cung cấp cho kim loại: S= Q P 2 2 + với năng lợng cấp nhiệt cho kim loại: 2 0 2 2 e HP z = năng lợng phản kháng: 2 0 2 2 e H i Q z = trong đó bề dy thẩm thấu H 0 cờng độ từ trờng ở bề mặt kim loại. - Phơng pháp tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần đợc dùng khá phổ biến trong các xởng nhiệt luyện. Đây l một dạng nguồn nhiệt đợc sinh ra trong bản thân chi tiết nhờ dòng điện cảm ứng tập trung ở bề mặt. Vì vậy, Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 6 - trong một lớp mỏng ở bề mặt lợng nhiệt toả ra rất lớn, nung bề mặt chi tiết với một tốc độ rất cao. Nhiệt lợng đợc phát sinh chủ yếu do hai nguyên nhân: + Xuất hiện dòng Fucô : đây l các dòng điện khép kín ( có chiều ngợc với chiều của dòng kích thích) do đó đợc biến đổi hon ton thnh nhiệt năng. Trên thực tế, tần số đợc sử dụng để nhiệt luyện thờng từ 500Hz ữ 1MHz. Tần số cng cao thì chiều sâu nung cng nhỏ. Chiều sâu của lớp mỏng tiêu thụ 86,5% lợng nhiệt cung cấp đợc gọi l chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng, đợc tính bằng công thức: =503 f (m) + Xuất hiện đờng cong từ trễ : dới tác dụng của từ trờng ngoi với cờng độ H[A/m], trong vật liệu dẫn điện xuất hiện cảm ứng từ (mật độ từ thông) B[T]. Khi từ trờng biến thiên, sẽ tạo nên vòng từ trễ v diện tích của vòng từ trễ chính l năng lợng điện từ đợc chuyển thnh nhiệt năng: S T = BdH [J/m 3 ] S T thể hiện lợng nhiệt đợc sinh ra trong một đơn vị thể tích vật liệu dới 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 v độ thẩm từ thay đổi theo nhiệt độ. Khi nung 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 tăng chậm lại, độ thẩm từ nhanh chóng giảm xuống tới =1, cờng độ nung giảm mạnh, do đó, trên thực tế khi nung thép phải tính toán riêng cho hai giai đoạn nung ( dới v trên điểm Quyri). Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng đối với thép cacbon thấp nh sau: Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 7 - Dới 700 0 C: f 2 1 = [cm] Trên 800 0 C: f 60 2 = [cm] Đối với vật liệu l thép khi nung với nguồn có tần số f=10000Hz, nhiệt độ nung thay đổi từ 20 ữ 100 0 C thì thay đổi từ 10.10 -6 ữ 130.10 - 6 ( m) v thay đổi từ 60 ữ 1(H/m). Khi đó lớp thấm tôi cung thay đổi =0,22 ữ 6,7(mm). Với công suất tôi l 45kW thì thích hợp cho việc tôi các vật có kích thớc vừa v nhỏ khoảng 20 cm với lớp tôi từ 0,5-6 mm nh các bánh răng, trục khuỷu . Trong trờng hợp ton bộ lớp tôi đợc 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 chiếu sâu lớp tôi thì quá trình nung sẽ xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt với tốc độ thấp. Chiều sâu lớp tôi không những phụ thuộc vo tần số m còn phụ thuộc vo bản chất của vật liệu tôi, nhiệt độ nung v tốc độ nung trong khoảng chuyển biến pha, nói chung ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri. Để đảm Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 8 - bảo chất lợng lớp tôi với thông số đã xác định l tần số f=10000Hz 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 phơng pháp tính toán ( chủ yếu l thực nghiệm) giả định rằng công suất riêng, tính cho một đơn vị bề mặt l không đổi. Thực tế chúng có thể thay đổi cỡ 30-50%, cho nên ta sẽ phải dùng giá trị 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 ny thờng nhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt ( 2 ) nhiều lần, nên có thể coi rằng nhiệt lợng sinh ra từ bề mặt đợc truyền vo trong bằng dẫn nhiệt. Vì vậy sử dụng phơng trình mô tả quá trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt không đổi (từ bề mặt) để tính toán, ta đợc: a x ierfc aq x 2 2 = Trong đó: = t-t đ , nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu t đ , 0 C - 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 - l khoảng cách kể từ bề mặt, m - thời gian, s 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 hm Krampa Khi đó nhiệt độ trên bề mặt (x=0) tính theo công thức sau: Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 9 - aq M 2 = Từ đó thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn một đợc tính l: 2 2 2 = qa b, Xác đinh thời gian nung giai đoạn hai: Đây l giai đoạn nung từ nhiệt độ Quyri đến nhiệt độ tôi. Do độ thẩm từ giảm mạnh, chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng đợc tăng lên tơng ứng với chiều sâu lớp tôi. Do đó, để tính toán ta sử dụng phơng trình vi phân mô tả quá trình dẫn nhiệt với nguồn nhiệt phân bố đều trong ton lớp tôi bề mặt. Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ nh sau (với x 2 ): () () + + += 1 2 1 2 4 2 2 2 2 2 2 2 a x Fx a x Fx q Q Trong đó: Q = t- t Q l nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri t Q , 0 C 2 chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, m Hm F(z) tính nh sau: F(z) = 2 1 2 1 1 2 z e z erfz z + + erfz Hm Krampa theo z Khi đó: Nhiệt độ tại bề mặt chi tiết (x=0) trong giai đoạn hai tính nh sau: = 1 2 2 22 a F q QM Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x= 2 ) tính nh sau: Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ http://www.ebook.edu.vn - 10 - = 1 2 22 a F q QT Dựa trên các công thức ny v bằng phơng pháp gần đúng liên tục (cho giá trị , tính Q v t, nếu sai số lớn thì chọn lại v lặp lại phép tính) có thể tính thời gian nung từ điểm Quyri đến nhiệt độ tôi của bề mặt chi tiết v của giới hạn trong lớp tôi. Cuối cùng thời gian nung tổng thể bằng tổng thời gian nung của giai đoạn một v hai 5. Yêu cầu chất lợng, đặc điểm nguồn cấp và cấu tạo thiết bị - Chất lợng của thép đợc đem tôi đợc đánh giá qua các thông số Độ dy lớp đợc tôi, độ cứng, độ dẻo nó phụ thuộc vo nhiều yếu tố nh: + Đặc điểm của thép đem tôi: thnh phần cacbon, hình dạng, kích thớc . + Thời gian tôi, thời gian lm nguội + Đặc điểm của nguồn (tần số, biên độ, công suất .), môi chất lm nguội. - Đặc điểm của nguồn điện cấp cho lò tôi: Bộ nguồn nghịch lu đảm bảo cung cấp đủ năng lợng cho lò khi có tải tức lúc đang tôi v phải đảm bảo lm việc đợc lúc không tải khi chi tiết đem tôi di chuyển hết ra khỏi ống vòng dây của thiết bị nung. Do đặc điểm lm việc của lò tôi l không tải thờng xuyên lặp lại nên nghịch lu đòi hỏi phải lm 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 l: nguồn phát tần số v cuộn cảm ứng, ngoi ra còn có các bộ phận để lm nguội. + Nguồn phát tấn số cao có hai loại chính [...]... thớc của chi tiết, phơng pháp nung cũng nh công suất của thiết bị v yêu cầu về năng suất cần đạt - 11 - http://www.ebook.edu.vn Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ Chơng ii: Đề xuất các phơng án v 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 lu áp một pha Đặc điểm: nguồn đầu vo l nguồn. .. để nghịch lu lm việc ổn định v tần số f0 ) nhằm san phẳng dòng đầu vo: Td = const - 13 - http://www.ebook.edu.vn Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ - Dòng điện nghịch lu có dạng xung chữ nhật, có tần số fN tạo ra nhờ... hởng của sức điện động tự cảm trên cuộn dây biến áp xung Từ đó ta có thể chọn các diode nh sau: * Diode D1 v D2 l loại 1N4448 có các thông số sau: - 33 - http://www.ebook.edu.vn Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ + Điện áp ngợc: Ung=20 V + Dòng điện max: Imax=100mA Nh vậy ta đã thiết kế xong khâu khuếch đại tạo xung * Để điều chỉnh đợc xung đầu vo khâu ny nhằm đạt đợc xung theo yêu cầu, ta thiết kế thêm bộ. .. đồ thị hoạt động của mạch: - 18 - http://www.ebook.edu.vn Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ - Do hiện tợng cộng hởng nên uN, iN có dạng gần sine chứa ít thnh phần sóng điều ho bậc cao do đó m nâng cao đợc hiệu suất của BBĐ - Các đại lợng du/dt, di/dt có giá trị nhỏ nên phù hợp để sử dụng cho thiết bị lm việc với tần số cao, m không đòi hỏi nhiều về mạch bảo vệ van tránh hiện tợng xung - Nghịch lu cộng... lặp lại tơng tự nh trên b, Sơ đồ nghịch lu cộng hởng song song: - Sử dụng nguồn dòng vì phụ tải gồm tụ điện, điện cảm v điện trở nối song song ở đầu ra tạo nên tải nguồn áp - Sơ đồ sử dụng van Tiristor nên công suất cuả BBĐ lớn Ld có giá trị hữu hạn sao cho kết hợp với Lt , C tạo thnh mạch cộng hởng dao động với tần số riêng: - 17 - http://www.ebook.edu.vn Nghịch lu lò tôi SV: ngô trí kỳ - 0 = Ld +