BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN NHIỆT Dùng cho sinh viên ngành THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Nguyễn Đình Thiên - Nguyễn Trung Sơn BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN NHIỆT Dùng cho sinh viên ngành THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2006 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KĨ THUẬT ĐIỆN NHIỆT §1 Khái niệm Định nghĩa Kỹ thuật điện nhiệt kỹ thuật biến đổi điện thành nhiệt dựa sở định luật vật lý Lĩnh vực sử dụng Kĩ thuật điện - nhiệt ứng dụng nhiều sản xuất sinh hoạt Ví dụ: nhà máy xí nghiệp thường gặp lị điện trở, thiết bị sấy, thiết bị nung nóng Trong luyện kim gặp lò điện làm việc theo nguyên lý khác Trong sinh hoạt gặp thiết bị nung nóng nước, nồi cơm điện, bình nóng lạnh, sưởi ấm, lị vi sóng… Kỹ thuật điện nhiệt sử dụng lượng điện lớn, lò luyện kim Bởi tính tốn thiết kế thiết bị điện nhiệt hợp lý tiết kiệm lượng điện lớn §2 Phân loại Phân loại thiết bị điện nhiệt dựa vào nguyên lý biến đổi điện thành nhiệt Có thể phân loại thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp sau đây: 1.Thiết bị điện làm việc theo phương pháp điện trở Dựa nguyên lý: Q = I2Rτ Trong đó: Q- nhiệt lượng toả có dịng điện I chạy qua dây đốt có điện trở R thời gian τ , đơn vị : I(A), R( Ω ), τ (s) Q ( J) có mối quan hệ: 1J = Ws = 0,24cal Bản thân phương pháp phân thành: a Phương pháp điện trở gián tiếp: có dòng điện qua điện trở toả nhiệt năng, nhiệt dùng để nung nóng vật b Phương pháp điện trở trực tiếp: dịng điện trực tiếp qua vật nung, nhờ có điện trở vật mà vật nung nóng http://www.ebook.edu.vn 2.Thiết bị nhiệt làm việc theo nguyên lý cảm ứng - Dựa vào định luật cảm ứng: vật dẫn đặt từ trường biến thiên vật cảm ứng dịng điện vật nung nóng Phương pháp cảm ứng phân thành: a Phương pháp trực tiếp b Phương pháp gián tiếp 4.Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp hồ quang Dưa theo nguyên lý: lượng nhiệt tạo nhờ hồ quang sinh điện cực Phương pháp hồ quang phân thành a Phương pháp hồ quang trực tiếp b Phương pháp hồ quang gián tiếp 4.Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện mơi Hình trình bày nguyên lý làm việc: vật nung loại không dẫn điện bán dẫn đặt không gian hai má tụ điện Tụ điện nối với nguồn áp có tần số siêu cao hàng chục hàng trăm hàng nghìn MHz, tác dụng điện trường biến thiên với tần số siêu cao vật có dịng điện dịch, kết vật nung nóng Đặc điểm nung nóng phương pháp điện mơi nung nóng đồng tồn vật nung, nhờ tốc độ nung nóng cao Dựa vào phương pháp điện môi chế tạo thiết bị sấy điện môi dùng để sấy vật liệu cách điện, vật liệu compozit, sản phẩm nông nghiệp nhẹ, chè, cà phê… chế tạo lị vi sóng dùng nấu nướng nhanh, thit b kh trựng y t Nguồn áp siêu cao tần Vật đuợc nung Má tụ điện Hỡnh Phương pháp điện tử Năng lượng điện biến thành nhiệt va chạm dòng điện tử gia tốc cao trường điện với vật gia cơng ( vật nung nóng) http://www.ebook.edu.vn Phương pháp điện tử thực buồng chân không cao, luồng điện tử tập trung thành nhũng chùm hẹp với lượng cao khoảng × 108 KW/cm2 tức hàng 1000 lần lớn lò hồ quang Phương pháp thực thiết bị súng điện tử, để hàn chi tiết cực nhỏ, để tạo hợp kim đặc biệt tinh khiết từ chất đặc biệt cứng Tantan, moliphden… 6.Phương pháp laser : Light Amphificatin by Stimulated Emission of Radium: viết tắt LASER có nghĩa khuyếch đại ánh sáng cưỡng Laser phát minh lớn kỷ 20 Năm 1917 nhà bác học Aber Einstein đề nguyên lý xạ cưỡng Theo nguyên lý xạ ánh sáng, phát màu bị nung nóng nguyên tử electron từ mức lượng thấp nhảy sang mức lượng cao, từ cao nhảy thấp phát xạ Ngun lý biểu diễn cơng thức Einstein E2 - E1= hv Trong đó: E1,E2: mức lượng điện tử h- số Planck v- tần số Hiệu số E2 – E1 lớn tần số lớn, tức bước sóng nhỏ, ánh sáng tử bước sóng lớn ( màu đỏ) chuyển dần sang bước sóng nhỏ ( màu tím) Bây dùng phương pháp cưỡng cho hàng tỉ tỉ nguyên tử nhảy lên mức lượng cao nhảy mức phát thứ ánh sáng đơn sắc ( lượng, bước sóng) Đó nguyên lý máy Laser Chiếc máy Laser đời vào 1960 kỹ sư người Mỹ tên Theodore Maiman có sơ đồ nguyên lý hình 1.2 Hình 1.2 1.Thanh hồng ngọc nhân tạo (AL2O3 + 0,05% Neodym ) Ống thuỷ tinh, chứa khí xenon 3.C tụ điện http://www.ebook.edu.vn Bộ phận chủ yếu Hồng ngọc ( Rubi ) dài 30 cm, đường kính 1,5 cm, hồng ngọc nhân tạo gồm Al2O3 trộn với 0,05% chất Neodym, quanh ống thuỷ tinh đựng khí xenon Hai đầu ống nối với tụ điện Khi áp tụ tăng tới mức khí xenon ống thuỷ tinh phát sáng kích thích nguyên tử neodym, hồng ngọc phát sáng tia sáng màu đỏ có độ sáng gấp hàng trăm lần độ sáng bề mặt trời Cơng suất đạt hàng tỉ watt Đó tia Laser Laser phát triển nhanh chóng, gồm số thể loại sau: a.Dùng laser khí: loại thơng dụng- mơi trường khuyếch đại chất khí Sự kích thích dựa vào phóng điện chất khí Loại Laser He – Ne - Ar thường dùng đo đạc không cần công suất lớn, cần độ tập trung cao Loại Laser khí CO2, phạm vi xạ hồng ngoại có suất cao, dùng nhiều việc, gia công vật liệu b Laser rắn: môi trường khuyếch đại chất rắn, ví dụ máy Laser maiman nêu Loại có cơng suất lớn dùng công nghiệp để cắt, khoan vật liệu rắn, gia công vật liệu Trong y tế để phẫu thuật, dùng quân vũ trụ c Laser lỏng: ngồi hai loại cịn dùng loại có môi trường phát laser chất lỏng, phát laser có bước sóng thay đổi tạo nhiều màu sắc đặc trưng dùng trang trí, nhà hàng Laser coi công cụ kỳ diệu kỹ thuật đại Phương pháp laser tạo tập trung lượng cao phương pháp Nó làm việc theo chế độ xung Năng lượng xung không cao nhờ đường kính xung nhỏ khoảng ÷ μ m với lượng khoảng 30 Jun thời gian ngắn khoảng 0,1 ns đủ đốt vật đến nhiều nghìn độ đủ để nóng chảy, bay hợp kim cứng nhất, dùng đục lỗ, hàn chi tiết… Ưu điểm phương pháp Laser làm việc mơi trường khơng khí, bị tác động môi trường so với phương pháp điện tử Tuy nhiên thiết bị Laser công suất lớn hiệu suất đạt ( 0,5 ÷1 )% Ở Việt Nam thành lập trung tâm công nghệ Laser ( NACENLAS) năm 1984, lắp ráp chế tạo thành công thiết bị Laser điều trị y tế loại He - Ne có cơng suất từ mW - mW chuyển giao cho bệnh viện, chế tạo thiết bị Laser tan sỏi thận thể, thiết bị Laser phẫu thuật, thiết bị Laser diot 1W nhiều thiết bị Laser khác http://www.ebook.edu.vn Phương pháp plasma Năng lượng điện biến vào nhiệt dòng vật chất bị ion hoá tác dụng điện trường điện cực áp suất lớn tốc độ cao dịng plasma Do bị ion hố nén thể tích khơng lớn nên mật độ nhiệt lớn, cho phép tạo nhiệt độ tới hàng vạn độ Phương pháp dùng thiết bị hàn cắt kim loại, hợp kim cứng §3 Ưu điểm nhược điểm kỹ thuật điện nhiệt Ưu điểm - Do lượng tập trung thể tích nhỏ nên tạo nhiệt độ cao - Tạo trình nhiệt luyện chân khơng mơi trường có khí bảo vệ tránh tổn hao nâng cao chất lượng - Tạo tốc độ nung nóng cao suất cao - Có khả điều chỉnh nhiệt độ phạm vi rộng độ xác cao - Tạo khả tự động hoá cao trình cơng nghệ - Cải thiện điều kiện lao động Và ưu điểm khác Nhược điểm - Dùng lượng có giá thường cao dạng nhiên liệu than, dầu khí - Thiết bị điện nhiệt có nhiều loại giá thành cao - Để vận hành địi hỏi phải có trình độ §4 Hai thang nhiệt độ Trong đo nhiệt độ, đưa hai thang đo phổ biến, hai thang dựa điểm nhiệt độ bản: - Nhiệt độ sôi oxy lỏng - 182,97 0C - Nhiệt độ tan nước đá - 0,001 0C - Nhiệt độ sôi nước 100 0C - Nhiệt độ sôi lưu huỳnh 444,6 0C - Nhiệt độ đông đặc bạc 960,8 0C - Nhiệt độ đông đặc vàng 1065 0C http://www.ebook.edu.vn Thang nhiệt độ bách phân: (còn gọi thang nhiệt độ ( 0C)) Sử dụng hai điểm mà nước đá thay đổi pha điểm nước đá tan lấy 0C điểm sôi 100 0C, chia làm 100 phần, phần 0C Ký hiệu thang nhiệt độ C là: t Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối: (còn gọi thang nhiệt độ Kenvil hay thang nhiệt độ 0K.) Thang nhiệt độ lấy điểm tam giao nước làm điểm chuẩn 2730,160K Điểm tam giao điểm có cân nhiệt độ ba pha nước Đó pha cứng- lỏng- Có quan hệ nhiệt độ 0K nhiệt độ C là: T ( 0K ) =[ 273,16 + t ( C) ] 0K Điểm đầu (điểm ) nhiệt K điểm tuyệt đối nhiệt độ K §5 Phân loại thiết bị điện nhiệt Để tiện cho quản lý thiết bị điện nhiệt phân loại theo số đặc tính sau: Phân loại theo nhiệt độ - Loại nhiệt độ thấp: từ 3000C trở xuống - Loại nhiệt độ trung bình: từ 300÷ 10000C - Loại nhiệt độ cao: từ 10000C trở lên Trong luyện kim người ta phân theo cấp bậc nhiệt độ khác Phân loại theo tần số dòng điện + Loại dòng chiều + Loại dòng xoay chiều - Tần số thấp ≤ 50Hz - Tần số trung bình ≤ 10 KHz - Tần số cao ≤ 10 MHz - Tần số siêu cao từ 100MHz trở lên Phân theo chức - Loại thiết bị dùng kỹ thuật sấy - Loại thiết bị dùng luyện kim và… http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT TRONG NUNG NĨNG Q trình nung nóng q trình động liên quan tới thay đổi lượng nhiệt vật nung Sẽ xét số quan hệ nung nóng thơng qua phương trình nhiệt sau đây: §1 Phương trình cân nhiệt vật nung nóng Để đơn giản xét trường hợp vật nung đồng chất đẳng nhiệt, coi thông số vật lý ngồi nhiệt độ khơng thay đổi Lúc phương trình cân nhiệt theo thời gian dτ có dạng: dQ1 = dQ2 + dQ3 (1) Trong đó: dQ1- lượng nhiệt đưa tới vật sau thời gian dτ dQ2- lượng nhiệt dùng để thay đổi lượng nhiệt chứa vật nung dQ3 - lượng nhiệt bị xung quanh Các thành phần xác định sau: dQ1 = Pdτ Trong đó: P – cơng suất đưa tới vật để nung nóng dQ2 = mcdt τ - thời gian m- khối lượng vật nung nóng c- tỷ nhiệt vật nung nóng dt- thay đổi nhiệt độ vật nung sau thời gian dτ dQ3 = KF ( t − t0 ) dτ K- hệ số truyền nhiệt từ vật nung vào môi trường xung quanh F - diện tích bề mặt truyền nhiệt vật nung nóng t- nhiệt độ nung nóng t0- nhiệt độ môi trường xung quanh Thay vào phưong trình (1) ta có: Pdτ = mcdt + KF ( t − t0 ) dτ (2) Phương trình (2) cịn gọi phương trình truyền tải cơng suất Chia hai vế cho KF dτ mc dt P + t − (t0 + )=0 KF dτ KF http://www.ebook.edu.vn mc = T − số thời gian KF P dt t0 + =0 = ty − nhiệt độ ổn định vật dτ KF Có phương trình: dt → T + t − ty = (3) dτ Biểu thức (3) phương trình cân nhiệt vật nung nóng Đặt §2 Phương trình nhiệt độ nung nóng Giải phương trình (3) với điều kiện τ = có t = tđ nhiệt độ đầu, sau thời gian τ đủ lớn có nhiệt độ ổn định t = ty nhiệt độ ổn định có phương trình nhiệt độ nung nóng: − τ − τ t = t® e + t y (1 − e T ) (4) T- số thời gian nung nóng Biểu diễn đường nhiệt độ nung nóng đồ thị hình T t T ty t® t0 Hình 1- Phương trình nhiệt độ nung nóng 2- Phương trình nhiệt độ làm nguội Đường nung nóng nhiệt độ đầu tđ τ = Về lý thuyết để đạt nhiệt độ ổn định ty cần thời gianτ ≈ ∞ Thực tế thời gian τ = ( ÷ ) T bắt đầu có nhiệt độ t = ( 0,95 ữ 0,98 ) ty Đ3 Phng trỡnh nhit làm nguội Từ phương trình nhiệt độ nung nóng (4) đặt tđ = ty , ty = t0 - nhiệt độ mơi trường, có phương trình nhiệt độ làm nguội sau: Nhờ có phương trình: http://www.ebook.edu.vn − τ − τ t = ty e T + t0 (1 − e T ) (5) T’ số thời gian làm nguội Theo (5) để có t = t0 cần có thời gian τ ≈ ∞ thực tế τ ' = ( ÷ ) T có t = t0 §4 Phương trình tốc độ nung nóng Một đặc trưng nung nóng tốc độ nung nóng Trong luyện kim, gia công chi tiết máy, kỹ thuật sấy… tốc độ nung nóng có ý nghĩa quan trọng , ảnh hưởng đến chất lượng suất q trình Ví dụ, kỹ thuật sấy lúc đầu chọn tốc độ nung nóng q cao khơng hợp lý lớp ngồi sản phẩm khơ nhanh tạo lớp bọc khơng cho nước bốc từ phía … làm cho sản phẩm chất lượng Biểu thức phương trình tốc độ nung nóng tìm từ phương trình dt nhiệt độ nung nóng cách lấy đạo hàm t theo thời gian τ : dτ biểu thức dt ty − t® − τT = e (6) T dτ - Tốc độ nung nóng cực đại: từ phương trình (6) thấy tốc độ nung dt nóng cực đại ( )max đạt thời điểm τ = , tức thời điểm đầu: dτ t −t dt ( )max = y ® T dτ Ở thời điểm đầu chưa có tổn hao nên đường tăng nhiệt gần đường thẳng §6 Thời gian nung nóng τ Từ phương trình nhiệt độ nung nóng t = t® e − τ T − τ + ty (1 − e T ) xác định thời gian nung nóng τ τ = T ln t y − t® ty − t (7) Theo biểu thức (7) tìm thời gian nung nóng τ tới nhiệt độ t khoảng từ tđ tới ty Trong thực tế xác định số thời gian T, tìm thời gian nung nóng theo kinh nghiệm : τ = ( ÷ ) T §5 Hằng số thời gian T 10 http://www.ebook.edu.vn tP t t XK Za Za XK hình Hình biểu diễn phân bố nhiệt độ từ bề mặt vào sâu vật nung chế độ nung bề mặt Ở chế độ nung bề mặt Za < XK, việc nung nóng tồn độ dày XK dẫn nhiệt vật nung Ưu điểm nung bề mặt công suất dùng cho độ sâu Za nhỏ, nhờ giảm cơng suất máy phát, thuận tiện cho chế tạo Hình cơng suất hữu ích tỷ lệ với phần gạch chéo Ở tần số thấp qui định việc thực nung tơi khơng thực độ thấm sâu dịng lớn, lượng nhiệt khơng đủ để đảm bảo nhiệt độ nung Ở phương pháp cảm ứng thực nung bề mặt nung sâu- ưu điểm phương pháp này, lị điện trở khơng thực nung sâu Chọn tần số nung Tần số nung chọn theo kết hợp với kinh nghiệm vận hành.Tuỳ theo phương thức nung bề mặt hay nung sâu mà đưa giá trị cụ thể Trong thiết bị nung tơi có bảng giá trị cho phương thức Ở đưa giá trị mang tính ví dụ; Tần số chọn phải phù hợp với độ dày nung Za theo: Za = 5030 ρt μf Vậy nên tăng tần số độ dày nung Za giảm ngược lại Với nung sâu chọn theo: 10 4.105 ( Hz) X K2 Với vật đơn giản ( mặt phẳng, dạng trụ…) xác định theo 5.10 ( Hz) f = X K2 Với chi tiết phức tạp chọn tần số theo 5.106 f = ( Hz) XK Ngoài sử dụng thiết bị nung tơi tìm sổ tay tài liệu hướng dẫn § Tính cơng suất máy phát cấp nguồn cho cuộn cảm ứng Điện áp cấp cho cuộn cảm ứng Cơng suất máy phát Pn tính theo ΔP.S Pn = η cosϕ Với : ΔP - mật độ cơng suất bề mặt phía cuộn cảm ứng S- diện tích bề mặt cuộn cảm ứng η - hiệu suất thường từ 0,50 – 0,87 cosϕ - hệ số công suất, hệ số cosϕ phương pháp điện cảm thấp từ khoảng 0,1 – 0,3 Điện áp :Cấp cho cuộn cảm ứng nung thường chọn theo kết hợp với kinh nghiệm; đưa khoảng chọn: U = ( 50 – 250 ) V Với nung bề mặt: U = ( 50 – 100 ) V Nâng cao hệ số công suất cho cuộn cảm ứng Cuộn cảm ứng có hệ số công suất cosϕ thấp cosϕ = 0,1 – 0,3 bắt buộc phải nâng cao hệ số công suất Trị số tụ điện C dùng để nâng cao hệ số cơng suất tính theo: P C = 2n ( tgϕ1 − tgϕ2 ) Uω Với Pn – công suất nguồn , W U – áp cuộn cảm ứng, V ω = 2π f - ; f- tần số dòng cảm ứng, Hz tgϕ1 - từ hệ số công suất trước nâng cao cosϕ1 86 http://www.ebook.edu.vn tgϕ2 - từ hệ số công suất trước nâng cao cosϕ2 C- trị số tụ điện , F Các tụ điện đấu song song với cuộn cảm ứng § Các loại lị luyện kim theo phương pháp cảm ứng Hiện luyện kim, sản xuất sắt thép xây dựng, thép hợp kim, chế tạo máy… thường dùng lò cảm ứng Xét hai loại lò phổ biến: Lò máng ( lò có lõi thép) U Hình Trên hình Cấu tạo ngun lý lị máng 1- Lõi thép 2- Cuộn cảm ứng 3- Máng 4- Thép hợp kim Nhờ có lõi thép, từ thơng lõi lớn nhờ dịng cảm ứng thép lớn, tạo nhiệt độ cao, tốc độ nung chảy cao Loại lò dùng phổ biến cho thép hợp kim Lị nồi ( lị khơng có lõi thép) Lị nồi khơng có lõi thép, từ thơng biến thiên qua kim loại nhỏ lò máng, nhiệt độ thấp lị máng chịu tác động lớn lực điện động, nhờ nhiệt độ khơng q cao nhờ thép bị phế phẩm, bị cháy, phù hợp luyện kim loại có giá trị 87 http://www.ebook.edu.vn U Hình Hình Cấu tạo nguyên lý lò nồi: 1- Vỏ lò 2- Cuộn cảm ứng 3- Thép hợp kim § Nguồn áp cung cấp cho cuộn cảm ứng Nguồn áp cho cuộn cảm ứng đòi hỏi phải có tần số cao nhiều tần số dịng điện cơng nghiệp 50 Hz đồng thời phải điều chỉnh làm việc ổn định thiết bị nung luyện kim Điểm qua số nguồn áp sử dụng phương pháp cảm ứng sau: Máy phát tần số cao: máy phát đồng với roto có số đơi cực từ p, tần số f dòng điện phát là: np f = ( Hz) 60 n- số vòng quay roto Khi tăng số đôi cực từ p tăng tần số f Nhưng số đôi cực từ p bị hạn chế kết cấu máy Do tần số loại máy phát hạn chế f ≤ 800 Hz loại máy phát trước dùng lò luyện kim Máy phát điện cảm ứng Tần số máy phát điện cảm ứng f xác định theo: nZ f= ( Hz) 60 với n- tốc độ quay roto Z - số roto Khi tăng số Z roto tăng tần số f Máy phát điện cảm ứng làm việc với tần số f < KHz Các loại máy phát điện quay có nhược điểm hiệu suất thấp, kích thước lớn, vận hành bảo hành khó… Ngày với kỹ thuật điện tử công suất phát triển người ta tạo nguồn áp có hiệu suất cao, làm việc ổn định, khơng tiếng ồn với nhiều tính ưu việt khác Sau xem xét mạch điện tử công suất 88 http://www.ebook.edu.vn Bộ biến i tn s tnh Cuộn cảm ứng CCƯ L BA T2 T4 T6 C T1 T3 T7 T5 FX BiÕn ¸p xung BAX T8 Hình Hình 1- sơ đồ nguyên lý biến đổi tần số tĩnh mạch điện tử công suất, cấp điện áp cho cuộn cảm ứng lị luyện kim Có thể trình bày nguyên lý làm việc mạch sau: từ biến áp nguồn ba pha BA đưa áp thích hợp vào chỉnh lưu dùng Tiristor T1, T2, T3 , T4, T5, T6 bố trí hình Nguồn áp từ chỉnh lưu qua lọc L đưa vào nghịch lưu, tạo áp tần số cấp cho cuộn cảm ứng, áp cấp cho cuộn cảm ứng khoảng 50 – 250 V, tuỳ thuộc trường hợp cụ thể Bộ nghịch lưu làm việc sau: thời điểm đầu phát xung phát xung FX để mở tiristor T7, dòng qua T7 vào biến áp xung BAX nạp tụ C Qua BAX áp cấp cho cuộn cảm ứng CCư Ở thời điểm sau, phát xung mở T8, dòng qua T8 qua BAX đồng thời C phóng điện qua T7 qua T8 làm đóng T7… Thời điểm lại tiếp tục lại từ đầu Tần số dòng điện cuộn cảm ứng CCư định tần số phát xung FX Tần số dòng cuộn cảm ứng dùng mạch điện tử công suất giới hạn khoảng 30 KHz Với tần số thích hợp cho lị luyện kim Với lị nung tơi chi tiết máy yêu cầu phải có tần số tới hàng trăm KHz với mạch điện tử công suất không đáp ứng được, người ta thiết kế mạch điện tử tần số cao dùng đèn điện tử Máy phát dùng đèn điện tử tần số cao Trong phương pháp cảm ứng tuỳ theo tần số dòng điện cuộn cảm ứng phân thành: - Tần số thấp tần số công nghiệp 50 Hz - Tần số trung, khoảng từ 150 – 10000 Hz - Tần số cao khoảng từ 60 KHz – 100 MHz Với dịng điện có tần số từ 150 – 500 Hz nhận từ máy phát đồng bộ, cần tần số cao dùng máy phát cảm ứng Ở thời gian kỹ thuật điện tử công suất phát triển máy phát đồng tần số cao máy phát cảm ứng thay biến đổi tần số tĩnh thực Tiristor máy biến áp, trình bày 89 http://www.ebook.edu.vn Dòng điện cuộn cảm ứng tần số cao từ 60 KHz trở lên thực nhờ máy phát dùng đèn điện tử Các máy phát dùng đèn điện tử sử dụng với nhiều mục đích khác kỹ thuật gia công nhiệt nung bề mặt, nu luyn hp kim BA BAX CL Đ CCƯ V K1 K2 Hình Hình sơ đồ mơ tả máy phát dùng đèn điện tử BA- biến áp nguồn CL- chỉnh lưu Đ- đèn điện tử BAX- biến áp xung CCư- cuộn cảm ưng V- vật nung K1, K2- hệ số phản hồi Các máy phát dùng đèn điện tử công nghiệp chế tạo với công suất tới 250 KW cao đáp ứng yêu cầu đòi hỏi CHƯƠNG VIII PHƯƠNG PHÁP HỒ QUANG §1 Hồ quang đặc tính hồ quang điện Hồ quang điện Đó tượng phóng điện ổn định môi trường kim loại khí, đặc trưng mật độ dòng điện cao Bản chất hồ quang Hồ quang chuyển động dịng điện mơi trường bị ion hố khơng kèm theo phân cực, hồ quang tạo dòng chiều dòng xoay chiều Dòng điện hồ quang đặc trưng mật độ cao lượng nhiệt truyền cho vật nung nóng nhờ tăng tốc ion trường điện xạ hồng ngoại lớn cột hồ quang Cột hồ quang có nhiệt độ cao, đạt từ 5000 0C đến 12000 0C Bởi hồ quang nung chảy kim loại, hợp kim cứng Sự kích thích tạo hồ quang bắt đầu tiếp xúc điện cực ngắn mạch Tại nơi tiếp xúc điện cực vật ( chi tiết ) sinh lượng nhiệt lớn làm cho kim loại bắt đầu có nóng chảy Khi 90 http://www.ebook.edu.vn đưa điện cực tách khỏi chi tiết liên kết kim loại nóng chảy bị kéo theo, lúc tiết diện chúng giảm xuống nhiệt độ tăng lên Tiếp tục kéo điện cực thêm xẩy bay kim loại phần tử khí Các ion dương chuyển động katơt cịn điện tử ion âm chuyển động anơt, thời điểm hồ quang xuất Dòng điện tích gia tốc trường điện chúng truyền động bắn phá vào điện cực chúng nung nóng điện cực Katơt truyền lượng nhỏ anôt nhiệt độ katơt thấp anơt Ví dụ điện cực than katơt có nhiệt độ khoảng 2500 – 3500 0C, với điện cực kim loại katơt có nhiệt độ 2300 – 2400 0C Sau tạo hồ quang, hồ quang ổn định nhờ ion hoá, phát xạ điện tử điện cực va chạm tạo động lớn tạo phát xạ thứ cấp tăng cường hạt mang điện, ion, điện tử… Năng lượng tạo q trình làm tăng nhiệt độ xạ dạng hồng ngoại, cực tím tia khơng nhìn thấy § Ứng dụng phân loại hồ quang Ứng dụng hồ quang Với toả nhiệt lớn cột hồ quang điện cực, tính chất dùng để hàn nấu chảy kim loại lò hồ quang trực tiếp Với xạ tia hồng ngoại lớn, dùng tính chất lị hồ quang gián tiếp Với việc tạo xạ nhìn thấy, dùng để thắp sáng dùng đèn pha, đèn hải đăng Với tính chất xạ cực tím mạnh, dùng máy phát phát tia cực tím Song thực tế khơng dùng hồ quang làm máy phát tia cực tím hiệu suất thấp Phân loại hồ quang Phân loại hồ quang thực theo số cách sau: Phân loại theo môi trường, nơi diễn hồ quang gồm có: a Hồ quang dạng hở: hồ quang loại diễn khơng khí b Hồ quang dạng kín: hồ quang tồn lớp bảo vệ c Hồ quang mơi trường khí có bảo vệ Phân loại theo tính chất dịng điện gồm có: a Hồ quang dòng chiều b Hồ quang dòng xoay chiều pha c Hồ quang dòng xoay chiều ba pha Ưu điểm hồ quang dòng chiều ổn định, chất lượng hồ quang tốt dòng xoay chiều 91 http://www.ebook.edu.vn Khi hàn dòng chiều thường phân thành cực thuận cực ngược Cực thuận đưa cực âm nguồn vào que hàn Vật hàn nối với cực dương nguồn Do anôt toả nhiệt lượng lớn katôt cần thiết cho nóng chảy phần kim loại bề mặt vật hàn Cực ngược đưa cực âm nguồn vào vật hàn, cực dương nguồn nối với que hàn Sau nói tới số ứng dụng phương pháp hồ quang luyện kim hàn điện § Các loại lò hồ quang điện sử dụng luyện kim Lị điện hồ quang trực tiếp Ở hình hồ quang tạo điện cực nối với áp ba pha trực tiếp với quặng kim loại Điện cực than, đặt thẳng đứng Do hồ quang trực tiếp điện cực quặng tạo nhiệt độ cao Ưu điểm loại lò điện trực tiếp tạo nhiệt độ cao, suất cao Nhược điểm tạo xỉ nhiều mòn điện cực gây nên, nhiệt độ cao làm cháy kim loại nhiều Hình 1 Điện cực Vỏ lò Hồ quang Quặng Lò điện hồ quang gián tiếp Lò điện cực đặt nằm ngang hình , cách quặng khoảng Hồ quang tạo điện cực với nhiệt lượng lớn truyền cho quặng chủ yếu xạ Nhờ nhiệt độ quặng khơng q cao so với lị trực tiếp, nhờ tránh cháy kim loại tạo xỉ 92 http://www.ebook.edu.vn Nhược điểm điện cực đặt ngang nên dùng loại điện cực kích thước nhỏ Bởi cơng suất loại lị khơng lớn Hình Điện cực Vỏ lị Hồ quang Quặng 3.Lò điện hồ quang điện trở Loại có ba điện cực nối vào nguồn ba pha nhúng ngập vào quặng Hồ quang tạo thành lịng quặng, ngồi lượng cịn tạo dòng điện chảy điện cực Loại lị có hiệu suất suất cao Các loại lò điện hồ quang chủ yếu dùng lò nấu luyện quặng A B C Hình Điện cực Vỏ lị Hồ quang Quặng kim loại 93 http://www.ebook.edu.vn § Hàn điện hồ quang Ứng dụng: Hồ quang để hàn, phổ biến sản xuất, xây dựng, sửa chữa…Bởi ưu điểm thiết bị không phức tạp, tiết kiệm nguyên vật liệu so với phương pháp gia cơng khác, có độ bền học cao, giá thành hạ, suất cao… Yêu cầu nguồn hàn hồ quang Để tạo hồ quang hàn điện nguồn hàn có ý nghĩa định, sau đưa số yêu cầu nguồn hàn sau: a Yêu cầu trước tiên nguồn hàn phải đảm bảo ổn định hồ quang Muốn điện áp không tải phải đủ lớn để tạo hồ quang Sau trị số điện áp tạo hồ quang nguồn chiều xoay chiều: +) Với nguồn chiều: áp tạo hồ quang U0 = ( 30 – 55 ) V Trong cịn phụ thuộc vào vật liệu điện cực - Với điện cực kim loại: U0 = ( 30 – 40 ) V - Với điện cực than: U0 = ( 45 – 55 ) V + ) Với nguồn điện xoay chiều: áp tạo hồ quang U0 = ( 50 – 60 ) V Trị số giới hạn áp tạo hồ quang xác định dựa vào độ an toàn, thường dao động khoảng ( 60 – 70 ) V Khi máy biến áp hàn, với dòng hàn từ 2000 A trở lên áp không vượt 90 V b Để đảm bảo an toàn cho thợ hàn, thiết bị hàn chế độ làm việc ngắn mạch Bội số dòng ngắn mạch phải thoả mãn: I λ = n = 1,2 ữ 1, I đm - số dòng ngắn mạch In – dòng ngắn mạch (A ) Iđm – dòng hàn định mức (A) c Nguồn hàn phải cố công suất đủ lớn d Nguồn hàn phải có khả điều chỉnh điện áp Khi thực hàn với đối tượng vật hàn có độ dày, mỏng khác nhau, cần điều chỉnh dòng hàn, que hàn Dịng hàn phụ thuộc đường kính que hàn theo biểu thức kinh nghiệm sau: Ih = ( 40 – 60 ) d Ih – dòng hàn (A); d- đường kính que hàn ( mm) Việc điều chỉnh dịng hàn thực điều chỉnh điện áp nguồn e Đặc tính hàn (đặc tính vơn – ampe ) thiết bị hàn phải đảm bảo ổn định hồ quang 94 http://www.ebook.edu.vn Đặc tính hàn đường biểu diễn quan hệ điện áp đầu U nguồn hàn dòng điện hàn I: U = f ( I) – quan hệ gọi đặc tính ngồi Để đảm bảo ổn định hồ quang hàn, đặc tính hàn phải dốc Ví dụ có đặc tính ngồi nguồn hàn hình Đó đường đặc tính dốc U U = f(I) c U b I®m a In I I Hình Giả sử thời điểm a hình q, chạm que hàn (điện cực ) vào vật hàn, xẩy ngắn mạch, dòng ngắn mạch In xuất tương ứng điểm a Dịng lớn làm tiếp xúc nóng chảy Đưa que hàn khỏi vật hàn, xuất hồ quang điện áp que hàn vật hàn tăng lên theo đường U = f( I) điểm b có hồ quang ổn định Và dịng điện xác định dịng định mức Iđm Khi có thay đổi cột hồ quang, trình hàn tạo làm có thay đổi áp hồ quang ΔU lớn, song nhờ đặc tính dốc nên dịng hàn với thay đổi ΔI nhỏ đảm bảo hồ quang trì ổn định hình I Mặt khác đặc tính ngồi dốc, bội số dịng điện λ = n khơng I ®m I lớn đảm bảo qui định λ = n = 1,2 ÷ 1, an tồn cho thợ hàn I ®m Khi khơng thực yêu cầu λ = 1,2 ÷ 1,4 nguồn hàn phải chịu tải lớn, chất lượng hàn không an toàn cho thợ hàn kim loại cháy nổ Ngồi đường đặc tính ngồi dốc, cịn có đặc tính ngồi cứng tăng, dùng để hàn có bảo vệ mơi trường có khí bảo vệ, hàn tự động 95 http://www.ebook.edu.vn § Điều chỉnh dịng điện hàn Vật hàn có độ dày khác nhau, với độ dày, mỏng khác dòng điện hàn cần điều chỉnh hợp lý Muốn nguồn hàn phải trang bị cấu điều chỉnh theo cấp điều chỉnh trơn ( vơ cấp ) dịng hàn Như nói để tạo đặc tính hàn (đặc tính ngồi ) dốc, cần có độ rơi điện áp Việc tạo điện áp rơi thực chế tạo nguồn áp, ví dụ với nguồn áp máy biến áp, cần chế tạo tăng điện áp ngắn mạch cách mắc thêm điện kháng ( cuộn dây) nối tiếp với nguồn Trong trường hợp phương trình đặc tính hàn (đặc tính ngồi ) có dạng: U = U − I Z t® (1) U0- điện áp lúc khơng tải nguồn Un - điện áp nguồn có dòng hàn I – dòng điện hàn Ztđ - tổng trở tương đương, bao gồm tổng trở nguồn tổng trở cuộn kháng nối thêm Hình biểu diễn đặc tính hàn điều chỉnh dịng hàn cách thay đổi điện áp nguồn không tải U01, U02 , U03 tương ứng với điện áp hàn làm việc U có dịng điều chỉnh I1, I2, I3 U U U01 U0 U02 U03 U U I I1 I2 I I1 I3 Hình I2 I3 Hình Hình điều chỉnh dòng hàn cách thay đổi tổng trở cuộn kháng nối tiếp với nguồn Trong tổng trở Ztđ với thay đổi Ztđ có đường đặc tính hàn khác ứng với điện áp làm việc U có dịng điện hàn I1, I2, I3 96 http://www.ebook.edu.vn § Chế độ làm việc nguồn hàn hệ số tiếp điện Thiết bị hàn làm việc chế độ ngắn hạn lặp lại: thời gian làm việc dài máy hàn thời gian hàn hết que hàn ký hiệu τ lv , thời gian nghỉ ngắn thời gian đủ thay que hàn mồi hồ quang kí hiệu τ n Với máy hàn tự động thời gian làm việc dài hàn hết lô que hàn Máy hàn làm việc ổn định thoả mãn điều kiện lượng làm việc toả Q1 lượng toả môi trường xung quanh Q2 chu kì làm việc, viết được: Q1 = Q2 Với Q1 = I Rτ lv - nhiệt lượng toả thời gian hàn τ lv Q2 = K (τ lv + τ n ) - nhiệt lượng toả môi trường chu kì làm việc τ lv + τ n ; τ lv - thời gian làm việc τ n - thời gian nghỉ K- hệ số đặc trưng cho chế độ toả nhiệt nguồn hàn Coi gần K = const viết biểu thức sau: I Rτ lv = K (τ lv + τ n ) (1) Chia biểu thức (1) cho R (τ lv + τ n ) có: τ lv K = = const (2) I2 τ lv + τ n R Đặt : τ lv τ lv + τ n = T§ gọi hệ số tiếp điện nguồn hàn hồ quang Thường tính vào phần trăm: T§%= τ lv τ lv + τ n (3) 100% TĐ% thông số ghi tài liệu hướng dẫn sử dụng máy hàn hồ quang Quan hệ dòng điện hàn I hệ số tiếp điện TĐ% sau: Từ biểu thức (2) ta suy quan hệ dòng điện hàn hệ s tip in l: I đm TĐ%đm = I T§% (4) Trong đó: Iđm – dịng hàn định mức TĐ% đmlà hệ số tiếp điện định mức ứng với Iđm I- dòng điện hàn khác định mức TĐ% - hệ số tiếp điện ứng với dòng hàn I 97 http://www.ebook.edu.vn Khi máy làm việc dài hạn tức giá trị TĐ% = 100% Từ biểu thức (4) máy hàn làm việc khác định mức với hệ số tiếp điện TĐ% dịng hàn phi chn theo: T Đ%đm I = I đm (5) T §% Và ngược lại đưa máy hàn làm việc với dịng điện I khác định mức hệ số tiếp điện TĐ% chọn theo : I ®2m T § ®m T §% = (6) I2 §7 Một số nguồn điện hàn Về hàn hồ quang thực tế phổ biến số nguồn hàn sau: Máy biến áp hàn Tổ động – máy phát chiều Mạch điện tử công suất Nguồn hàn máy biến áp hàn hồ quang dùng dòng xoay chiều pha ba pha Với loại máy biến áp hàn pha thiết bị hàn dòng xoay chiều, đơn giản, rẻ tiền phổ biến, thông dụng sản xuất yêu cầu chất lượng mối hàn khơng cao Ví dụ hình sơ đồ máy biến áp hàn pha đơn giản phổ biến U U0 U = f(I) U I Hình Hình Máy biến áp với cuộn sơ cấp W1, cuộn thứ cấp W2 có nhiều đầu Cuộn kháng CK để điều chỉnh Cơ cấu điều chỉnh Que hàn Hồ quang Vật hàn 98 http://www.ebook.edu.vn Cuộn thứ cấp máy biến áp hàn có nhiều đầu với điện áp khác tạo nên điều chỉnh điện áp nhiều cấp cho nguồn hàn Nối thêm cuộn kháng với cấu điều chỉnh để điều chỉnh điện kháng nó, cho phép thay đổi điện áp hàn Nguồn hàn tổ hợp động – máy phát chiều dùng điện áp chiều tạo hồ quang hồ quang cháy ổn định, chất lượng hàn tốt, thiết bị hiệu nên phổ biến Nguồn hàn linh kiện điện tử công suất Cho phép hàn dòng chiều dòng xoay chiều Hiện phổ biến kĩ thuật hàn hồ quang, cho chất lượng hàn tốt, suất cao, thiết bị nhỏ gọn, bền, hiệu suất cao… Mạch điện tử công suất dùng thiết bị hàn MIG, MAG, TIG… - Hàn MIG, MAG hàn nóng chảy mà hồ quang nóng chảy dây hàn (dùng làm điện cực hàn) vật hàn mơi trường có khí bảo vệ MIG (Metal Inert Gas) dùng khí trơ loại Ar He trộn lẫn… MAG (Metal Aclives Gas) dùng khí trộn lẫn gồm hỗn hợp khí Ar, He (CO2, O2…) nhờ kinh tế khơng địi hỏi vệ sinh khắt khe, tiện lợi… Khí bảo vệ có tác dụng ngăn không cho tác dụng oxy nitơ môi trường vào mối hàn, giúp hồ quang ổn định - Hàn MIG dùng để hàn thép không gỉ, hợp kim nhôm, inox, hợp kim Ni-Cr, Al-Cu… - Hàn MAG dùng để hàn thép cacbon, hợp kim… - Hàn TIG (Tungsten Inert Gas) trình hàn bảo vệ Que hàn chịu nhiệt đồng thời điện cực, thường dùng W chịu nhiệt độ cao Chất khí ngăn cản tác động có hại oxy nitơ mối hàn Hàn TIG thường dùng để hàn thép cacbon, thép không gỉ, nhôm hợp kim nhôm, titan, hợp kim Ni-Cu, Ni-Cr-Fe… Về thiết bị hàn có nhiều loại máy hàn Pháp loại AVISO300AC-OC hàn TIG có chế độ chiều xoay chiều; loại JUNIOR 403 hàn MIG/MAG hàn dòng chiều 99 http://www.ebook.edu.vn ... KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KĨ THUẬT ĐIỆN NHIỆT §1 Khái niệm Định nghĩa Kỹ thuật điện nhiệt kỹ thuật biến đổi điện thành nhiệt dựa sở định luật vật lý Lĩnh vực sử dụng Kĩ thuật điện - nhiệt ứng dụng nhiều... nhiệt độ bản: - Nhiệt độ sôi oxy lỏng - 182,97 0C - Nhiệt độ tan nước đá - 0,001 0C - Nhiệt độ sôi nước 100 0C - Nhiệt độ sôi lưu huỳnh 444,6 0C - Nhiệt độ đông đặc bạc 960,8 0C - Nhiệt độ đông... lị vi sóng… Kỹ thuật điện nhiệt sử dụng lượng điện lớn, lò luyện kim Bởi tính tốn thiết kế thiết bị điện nhiệt hợp lý tiết kiệm lượng điện lớn §2 Phân loại Phân loại thiết bị điện nhiệt dựa vào