Xây dựng mô hình vật lý lò điện cảm ứng . Mô phỏng trên PSIM

Chương 1 Lò công nghiệp 1.1.Sự cần thiết của lò điện trong công nghiệp Từ rất xa xưa con người tìm ra kim loại là vật liệu tốt để chế tạo các công cụ phục vụ cho cuộc sống hàng ngày và con người đã biết lợi dụng nhiệt độ để “thuần hoá” kim loại để dễ dàng trong việc chế tác các vật dụng cần thiết(… ). Hiện nay nước ta nhập rất nhiều lò trung tần nấu thép từ các nước khác nhau, thường có các thông số công nghệ như sau: - Dung tích mỗi mẻ nấu từ 50kg đến 10.000kg. - Công suất tiêu thụ định mức của lò từ 100kW đến 5000kW. - Tần số làm việc: f = 1000Hz. Bảng 1.1 Mô tả một số loại lò có mặt trên thị truờng Bảng 1.1.a) Lò điện công suất nhỏ Type PS100 P160 PS300 PS500 PS800 PS1000 Rate Power (kW) 100 160 300 500 800 1000 Input Voltage (V) 380 380 380 380 575 575 Input Current (A) 200 320 570 1020 1020 1305 Output Voltage (V) 650 650 1300 1300 1900 1900 Typical working Frequency (Hz) 1000 1000 1000 500 500 500 Bảng 1.1.b) Lò điện công suất trung bình Type PS1250 P1500 PS1800 Rate Power (kW) 1250 1500 1800 Input Voltage (V) 575 575 575 Input Current (A) 1470 1795 2121 Output Voltage (V) 1900 1900 1900 Typical working Frequency (Hz) 500 500 500 Bảng 1.1.c)Lò điện công suất lớn Và quy cách vận hành lò điên, trong công nghiệp đúc gang -Chuẩn bị lò Trước khi nấu cần kiểm tra các hệ thống nước làm mát, áp lực nước làm mát, hệ thống thuỷ lực của lò xem có bình thường hay không mới bắt đầu cho vận hành Đóng các attomat, đóng bơm nước làm mát trong lên téc nếu có nước hồi về téc của bơm là đủ nước làm mát trong, đóng bơm nước làm mát trong kiểm tra áp lực nước, đóng công tắc chuyển lò, khởi động nguồn điện nấu chảy gang, khởi dộng nguồn điện bảo ôn gang lỏng. - Khởi động lò Khi đã nối thông nguồn điện, khởi động nguồn điện nấu chảy gang, ấn nút điều khiển công suất là có nấu luyện được. Nếu lò trong trạng thái nguội cần tiến hành nâng nhiệt chậm tránh nóng lạnh đột ngột, phải sấy lớp áo lót lò lên từ từ đến 900 0 C trong vòng 90 phút để cho các vết nứt gắn kết lại sau đó mới được nâng nhanh công suất. Khi lò đã nóng thì có thể nâng công suất nhanh hơn lúc đầu khoảng: 20 - 25% sau đó có thể nâng công suất tối đa. Chú ý khi nấu chảy gang hoặc nâng nhiệt để ý dòng điện đầu vào : của bộ điện nâng nhiệt không được quá : 80% dòng điện định mức ( chỉ thị trên đồng hồ A trên bảng đồng hồ), của bảo ôn không được quá 50% dòng điện định mức ( chỉ thị trên bảng đồng hồ vi tính ). Mọi sự cố về điện báo ngay cho Phân xưởng Cơ khí ( trưởng ca hoặc quản đốc phân xưởng) không được phép tuỳ ý sửa chữa hoặc cố tình cho máy hoạt động khi bộ phận cảnh báo đã bật sáng ). Quá trình đầm lại lò, đầm sửa chữa và thiêu kết phải tuân thủ theo đúng biểu đồ đã được quy định và ghi chép vào sổ vận hành . 1.2.Phân loại lò công nghiệp Type PS2000 PS2500 PS3000 PS3500 PS4000 PS5000 Rate Power (kW) 2000 2500 3000 3500 4000 5000 Input Voltage (V) 575 900 900 900 900 900 Input Current (A) 2x1224 2x897 2x1101 2x1260 2x1428 2x1795 Output Voltage (V) 1900 2900 2900 2900 2900 2900 Typical working Frequency (Hz) 200 200 200 200 200 200 Lò công nghiệp bao gồm các loại lò sử dụng nhiên liệu ( than đá,dầu, gas , …) và các loại lò sử dụng điện. Các loại lò sử dụng nhiên liệu để gia nhiệt gọi chung là lò cao.Đặc điểm của loại lò này là hiệu suất sử dụng năng lượng thấp thông thưởng nhỏ hơn 20%, nhiệt độ không cao, ô nhiễm môi trường.Do vậy phần lớn loại lò này chỉ được dùng trong việc gia nhiệt tới nhiệt độ cần thiết sau đó được chuyển sang lò điện để nâng nhiệt. Trong đồ án này ta chỉ quan tâm đến lò điện công nghiêp.Khái niệm lò công nghiệp được đề cập đến ở đây là các loại lò trong phòng thí nghiệm, kể cả các lò hoạt động điện cảm ứng hoặc điện môi, các dụng cụ trong công nghiệp hoặc trong phòng thí nghiệm khác để xử lý nhiệt các vật liệu bằng cảm ứng hoặc bằng điện môi .Có thể kể tới một số loại sau: - Lò luyện dùng điện trở (dùng nung nóng gián tiếp). - Lò hoạt động bằng cảm ứng hay bằng hao phí điện môi. - Lò hoạt động nhờ nhiệt phát sinh do tia lửa điện(lò hồ quang). Vấn đề ở đây là các máy móc và dụng cụ nhiệt điện kiểu công nghiệp hoặc trong phòng thí nghiệm, trong đó năng lượng điện được dùng để thu hút nhiệt, nhiệt này có thể được tạo ra do dòng điện đi qua trong các điện trở thích hợp, do hồ quang điện, do hiệu ứng cảm ứng, do hao phí điện môi . Loại trừ khỏi nhóm này các máy móc và thiết bị nhiệt điện thông thường dùng trong gia đình . Tuỳ theo chức năng và yêu cầu của công việc mà các loại lò có cấu tạo khác mặc dù có cùng một nguyên lý. 1.2.1.Các lò điện công nghiệp, kể cả các lò hoạt động do cảm ứng hoặc do hao phí điện môi. Các lò điện chủ yếu bao gồm một bình chứa đa phần là kín trong đó người ta đạt được một nhiệt độ tương đối cao. Được dùng cho nhiều hoạt động chẳng hạn như làm nóng chảy, nung, ủ, tôi, luyện, tráng men, xử lý nhiệt các mối hàn, tuỳ theo trường hợp mà chúng được gọi là lò cất, lò chuông, lò chậu, lò luyện, lò hầm . Một số lò bao gồm các bộ phận cho phép chẳng hạn lật nghiêng lò hoặc một phòng đặc biệt để xử lý các nguyên liệu trong khí quyển thấp. Theo cách thức đun nóng được dùng, người ta phân biệt : a. Các lò điện trở (nung nóng gián tiếp) trong đó nhiệt thu từ dòng điện chạy qua các điện trở nóng lên. b. Các lò dùng cảm ứng ở tần số thấp, trong đó vật liệu đem xử lý được đặt trong một trường điện từ tạo ra bởi dòng điện tần số thấp của cuộn sơ cấp, là nơi cư ngụ của các dòng cảm, chúng đưa vật liệu lên nhiệt độ cần thiết. Trong một số lò, vật liệu nung chảy đi qua từ nơi lò chính sang ống ruột gà thẳng đứng, ở đó vật liệu cũng chịu tác động của dòng cảm nung nóng. c. Các lò phản ứng ở tần số cao, trong đó dòng điện của tần số cao của một mạch sơ cấp (thông thường một tần số rađio) gây ra các dòng Fucô trong vật liệu muốn làm nóng chảy. Khác với lò trước,lò kiểu này không có lõi từ tính. d. Các lò nung nóng bằng hao hụt điện môi, trong đó vật liệu đem xử lý, không phải là chất dẫn điện, được giữ giữa hai miếng kim loại nối với một nguồn điện xoay chiều có tần số rất cao. Tổng thể hoạt động theo một nguyên tắc tương tự như nguyên tắc của tụ điện, sức nóng gây ra từ việc mất điện môi mà vật liệu xử lý là nồi hội tụ. e. Các lò đun nóng bằng điện trở (nung nóng trực tiếp), trong đó dòng điện chạy qua chính vật liệu xử lý, sức nóng rút ra từ các điện trở mà các vật liệu nói ở trên tạo ra khi điện đi qua. Lò này sử dụng trước nhất cho các thanh kim loại hoặc các sản phẩm hạt, bao gồm thông thường các thùng chậu đựng các chất phải xử lý. f. Các lò tắm, trong đó vật phải xử lý được ngâm trong một bồn tắm phù hợp (kim loại nóng chảy, rầu nhờn, muối nóng chảy .) bồn tắm ở nhiệt độ đòi hỏi thông qua các điện cực nhúng ngập. g. Các lò hồ quang, trong đó sức nóng phát sinh bởi một hồ quang điện phụt ra giữa các điện cực hoặc giữa một điện cực và vật liệu để nóng chảy. Các lò thuộc loại này được vận dụng chính cho các lò sản xuất gang, thép đặc biệt, nhôm, các loại thép hợp kim, các bua can xi, để rút muối từ sắt, để định vị azốt khí quyển . Một số lò hồ quang với nhiệt độ tương đối cao cũng được dùng cho việc sản xuất kẽm hoặc phốt pho nhờ quá trình nhiệt điện, chẳng hạn thăng hoa, khi các lò như vậy được trình bày với một phòng làm khô, tổng thể được xếp vào nhóm 84.19 như thiết bị trưng cất. h. Các lò luyện sử dụng tia hồng ngoại, trong đó vật liệu xử lý được chiếu tia của một số đèn điện đặc biệt tức là đèn hồng ngoại, hoặc từ miếng kim loại phát xạ bố trí khác nhau. Đôi khi người ta dùng trong cùng một lò nhiều quy trình nung chảy bằng điện, chẳng hạn cảm ứng ở tần số cao hoặc thấp cho kim loại, hoặc cho một số lò bánh bích quy, điển hình là cảm ứng và các tia hồng ngoại. Trong số các lò xếp vào nhóm này, có thể kể thêm : - Lò cho thợ bánh mì, làm bột,làm bánh. - Lò làm răng giả - Lò đốt xác - Lò đốt chất phế thải. Loại trừ khỏi nhóm này các dụng cụ để làm khô, thanh trùng hoặc các hoạt động khác, kể cả khi được sưởi nóng bằng điện ở nhóm 1.2.2. Các loại lò dùng trong các chức năng chuyên biệt để xử lý nhiệt các vật bằng cảm ứng hoặc bằng hao mòn điện môi. Độc lập với các lò luyện theo đúng nghĩa, còn có một số thiết bị để xử lý nhiệt của vật liệu , trong đó sức nóng được thu hút - cũng như những thứ khác trong một số trường hợp - qua qui trình cảm ứng ở tần số cao hoặc qua hao mòn điện môi. Được sử dụng trước hết để sử lý các mặt hàng có kích thước nhỏ, các dụng cụ này bao gồm chủ yếu một bộ phận sản sinh ra dao động ở tần số cao, được trang bị các cuộn hoặc các mâm, thông thường từ một khái niệm đặc biệt phù hợp cho các mặt hàng xử lý. Trong số này có thể kể đến : a. Các dụng cụ có cuộn dây cảm ứng (cảm ) để làm nóng qua cảm ứng các vật, được làm bằng các vật liệu dẫn điện tốt, thông qua năng lượng ở tần số thấp, trung và cao (thí dụ các máy móc phục vụ tôi bề mặt trục khuỷ, xi lanh, bánh xe có răng hoặc các mảnh kim loại, các thiết bị phục vụ nâúy chảy, dồn kết dính, nấu lại, làm trở lại, nung nóng sơ bộ các miếng kim loại. b. Các dụng cụ có điện cực làm tụ điện (trình bày dưới hình thức các bản các thanh . ) để làm nóng bằng điện môi (điện dung ) các đồ vật làm bằng các chất liệu không dẫn điện hoặc dẫn điện kém, bằng năng lượng tần số cao (chẳng hạn các dụng cụ để làm khô gỗ, các dụng cụ để nung nóng sơ bộ các vật liệu để đổ khuôn đúc các chất cứng nóng (chất dẻo ) trình bày dưới dạng viên dẻo hoặc bột. Một số dụng cụ được thiết kế để xử lý liên tục các thanh được đi qua các cuộn dây hoặc để xử lý lặp lại một lô các mặt hàng. Các dụng cụ kiểu này được xếp vào nhóm này. Các lò thổi xoay và các máy phát điện tần số cao được trình bày cũng lúc với các dụng cụ xử lý nhiệt và, các dụng cụ để xử lý bằng cảm ứng phục vụ hàn hoặc hàn vẩy các kim loại và các dụng cụ xử lý nhiệt bằng hao mòn điện môi phục vụ hàn các vật liệu nhựa hoặc các vật liệu khác (thí dụ các máy rập để hàn ở tần số cao ) được xếp vào nhóm này .Cũng được xếp loại ở nhóm này là các lò và các dụng cụ khác thiết kế đặc biệt cho việc phân cách, bằng các qui trình nung kim loại, tách các chất đốt hạt nhân phóng xạ (nung đất xét hoặc nung thuỷ tinh chứa các xỉ phóng xạ chẳng hạn ) hoặc các dụng cụ để dồn kết dính hoặc xử lý nhiệt các vật liệu phân rã được thu hồi để tuần hoàn lại. Trong khuôn khổ của đồ án ta sẽ nghiên cứu kĩ về loại lò điện hoạt động ở tần số cao gọi là lò điện cảm ứng. 1.3.Khái niệm về lò cảm ứng Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, đặt một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên, trong khối kim loạị xuất hiện một từ trường xoáy (Foucault), nhiệt tăng do dòng điện xoáy đốt nóng kim loại. Hình 1.1.Mô tả một vật kim loại đặt trong từ trường của một dòng điện xoay chiều Hình 1.1.Chất dẫn điện đặt trong từ trường Từ trường xoay chiều sẽ tạo ra trong lòng vật dẫn 1 điện áp, điện áp này sinh ra một dòng điện, dòng điện này bị ngắn mạch làm cho khối vật chất nóng lên.Đó là lí do tại sao lõi thép của máy biến áp lại được chế tạo bởi các lá thép ghép cách điện với nhau. Nhờ vậy điện trở lõi thép tăng làm cho dòng điện cảm ứng giảm nhỏ và hạn chế được tổn hao do phát nóng. Nung nóng cảm ứng có thể được sử dụng để nung nóng hay để nấu luyện kim loại.Để ý thấy rằng khi khối lượng vật liệu nung nóng lớn có thể không cần tần số quá cao,có thể dùng tần số điện công nghiệp. Nhiệt năng truyền vào khối kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau: và hệ số từ thẩm của kim loại -Điện trở suất -Trị số dòng điện của nguồn cấp. Nếu tăng trị số dòng điện lên hai lần nhiệt năng tăng lên bốn lần. - Tần số dòng điện của nguồn cấp. Nếu tăng tần số lên bốn lần thì nhiệt năng sẽ tăng lên hai lần. Từ đó ta nhận thấy rằng: tăng dòng điện của nguồn cấp hiệu quả hơn tần của nguồn cấp nhưng thực tế trị số dòng không thể tăng lên được quá lớn vì lý do cách điện, trị số dòng lớn làm nóng chảy vòng cảm ứng (mặc dầu đã đợc làm bằng dòng nước liên tục) cho nên thực tế người ta tăng tần số của nguồn cấp Khi tăng tần số do sự tương tác giữa các lớp dòng điện cảm ứng mà từ trương phân bố khơng đều, tăng dần từ trong ra ngồi. Khi tần số tăng thì sự phân bố khơng đều cảng thể hiện rõ.Hiện tượng này gọi là hiệu ứng mặt ngồi (skin effect). Tần số cao Tần số thấp Hình 1.2 : Sự phân bố dòng điện khi tần số thay đổi Lợi dụng tính chất này người ta có thể sử dụng các dây dẫn tần số cao là các dây dẫn rỗng mà khơng hề ảnh hưởng tới khả năng dẫn dòng của nó. Trong lòng dây dẫn sẽ được sử dụng để dẫn nước làm mát. Ưu điểm của nung nóng bằng tần số là: -Hiệu suất rất cao do nhiệt được phát ra từ bên trong vât được nung nóng. -Mật độ năng lượng rất cao do vậy thời gian nung nóng rất nhanh, q trình nung nóng vật liệu ít làm thay đổi tính chất do vật cho phép thực hiện các cơng nghệ đặc biệt về nấu luyện. Nhược điểm duy nhất của phương pháp là tính phức tạp của hệ thống do vậy giá thành cũng như trình độ của người vận hành phải cao. Tuy nhiên tấn sơ của thiết bị nung nóng bằng cảm ứng phụ thuộc vào cơng suất thiết bị và vật liệu cần tơi, nó có liêu quan đến chiều sâu thấm. Chiều sâu thấm được định nghĩa là chiều sâu tính từ bề mặt để mật độ dòng điện giảm đi 38,6% giá trị dòng điện ban đầu.Chiều sâu thấm kí hiệu là P. Ta có cơng thức liên hệ: Vùng dòng điện không phân bố Khu vực dòng điện phân bố nhiều f f P . 03.5 .2 10. 3 µ ρ µπ ρ == (1.1) Trong đó: P : Chiếu sâu thấm (mm). ρ : Điện trở suất của vật tôi ( Ω /m). µ : Độ tư thẩm tương đồi của vật liệu. f : Tần số dòng điện. Từ giá trị của P ta có thể chọn được tần số của của bộ nguồn cao tần tuỳ thuộc vào công nghệ nung nóng, nấu chảy, hay tôi bề mặt. Bảng sau cho ta các thông số về công nghệ tôi tôi bề mặt dùng dòng điện cảm ứng. Bảng 1.1.: Quan hệ giữa các đại lượng khi tôi bề mặt Chiều sâu tôi (mm) Đường kính vật (mm) Tần số (kHz) Công suất (kW) 0.5-1.0 6-25 400,200 15,30 1.2-2.5 11-16 400,200,30 80 16-25 400,200,30,10 80,50 25-50 200,30,10 50,80 >50 30,10 80 2.5-5.0 19-25 30,10 80,150 25-100 3,10 80,150 >100 3,10 150,300 Với thép vật liệu này mất từ tính ở 800 0 C khi đó µ =1 do vậy ta có quan hệ giữa tần số tối thiểu và chiều sâu thấm. Bảng 1.2.Tần số tối thiểu khi nung nóng thép bằng cảm ứng Tần số (kHz) Đường kính (mm) 300 3.2 100 5.5 20 12.4 10 17.5 5 24.7 3 32 1 55 Phạm vi ứng dụng của thiết bị gia nhiệt tần số: -Nấu chảy kim loại trong môi trờng không khí (lò kiểu hở) trong môi trường chân không hoặc khí trơ (lò kiểu kín). -Thực hiện các chuyên công nhiệt luyện nhiệt tôi, ram; đặc biệt ứng dụng để tôi bề mặt các chi tiết như bánh răng, cổ trục khuỷu của động cơ điêzen khi yêu có độ cứng bề mặt cao. Hình 1.3 : Tôi chi tiết bẳng dòng điện cao tần .1:Chi tiết cần tôi;2:Vòng cảm ứng. Chương 2 Các bộ nguồn dùng cho nung nóng cảm ứng Các bộ nguồn tần số cao có thể tạo ra bằng các phương pháp sau: -Dùng trực tiếp nguồn điện có tần số công nghiệp.Ta có thể tưởng tượng lò kiểu này là một biến áp có công suất đủ lớn có sơ cấp được đấu vào nguồn điện lưới, với thứ cấp là vật cần tôi, nhiệt sinh ra do hiệu ứng ngắn mạch sẽ làm nóng chảy kim loại. Loại nguồn này được được sủ dụng trong các loại lò công suất cực lớn, tần số công nghiệp hay được sử dụng là 50Hz đến 60Hz. -Dùng máy phát điện đặc biệt tần số cao do kết cấu cơ khí nên tần số của máy phát không vượt quá 2000Hz. Toàn hệ thống bao gồm một hoặc nhiều máy phát đồng bộ đấu song song để tăng công suất, được lai bẳng động cơ diezen. Máy phát đồng bộ có cấu tạo đặc biệt để có thể tạo ra tần số cao.