Nghiên cứu công nghệ gia nhiệt bằng tần số. Thiết kế hệ thống điều khiển gia nhiệt bằng tần số cho vật thể chuyển động với tốc độ không đổi

Trng i hc Hng Hi Vit Nam ỏn mụn hc: Trang b in- in t Lời nói đầu Trang bị điện điện tử cho máy công nghiệp dùng chung là một môn học đã đợc đa vào giảng dạy đối với sinh viên ngành điện tự động ở hầu khắp các trờng đại học trên cả nớc. Với môn học này sinh viên sẽ đợc trang bị một cách tổng quát những kiến thức cơ sở về các trang thiết bị máy móc, cơ cấu đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đồng thời các kiến thức cơ sở và chuyên ngành cũng đợc hệ thống lại một cách tổng quát và chuyên sâu điều này là rất cần thiết và hữu ích giúp cho sinh viên có thể có đợc những hình dung căn bản về các hệ thống dây chuyền công nghệ trong công nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập và sau này khi ra ngoài thực tế sản xuất. Trong thiết kế môn học : Nghiờn cu cụng ngh gia nhit bng tn s. Thit k h thng iu khin gia nhit bng tn s cho vt th chyn ng vi tc khụng i. này cũng không nằm ngoài mục đích trên. Dới sự hớng dẫn của thầy giáo TS. HOàNG XUÂN BìNH là chủ nhiệm bộ môn Điện Tự Động Công Nghiệp đồng thời cũng là giáo viên phụ trách giảng dạy môn học Trang Bị Điện cùng các thầy cô giáo trong bộ môn với sự giúp đỡ của bạn bè và tài liệu em đã cố gắng hết sức để hoàn thành các nhiệm vụ đợc giao trong đề tài. Không thể tránh khỏi những thiếu sót và nhầm lẫn, rất mong nhận đợc sự chỉ bảo tận tình và chu đáo của thầy cô cùng các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Trong phạm vi đề tài này gồm có 3 nhiệm vụ chính cần hoàn thành bao gồm: Chng 1: Nghiờn cu tng quan v gia nhit bng tn s. Chng 2: Thit k h thng iu khin tn s ngun. Chng 3: La chn phng ỏn truyn ng kộo vt th gia nhit. Sinh viờn: V Lờ Chung Lp: T 46H1 Page 1 Trường đại học Hàng Hải Việt Nam Đồ án môn học: Trang bị điện- điện tử Chương 1: Gới thiệu về công nghệ gia nhiệt bằng tần số 1.1 Nguyên lý làm việc của lò tần số:là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.khi đặt một khối kim loại trong một từ trường biến thiênthì trong khối kim loại sẽ xuất hiện (cảm ứng) các dòng xoáy (dòng foucault). nhiệt năng của dòng xoáy sẽ đốt nóng kim loại. 1.2 Nhiệt năng truyền vào các khối kim lọai phụ thuộc vào các yếu tố Đ iện trở suất và hệ số từ thẩm µ của kim loại. Cường độ từ trường H. W nhiệt =H 2 = I 2 Thực tế không thể tăng mãi dòng điện để tăng cường độ từ trường vì vậy đây phải rất lớn và quá nóng,có thể nóng chảy (dù có nước làm mát). Tần số dòng điện cảm ứng. W nhiệt = Thực tế, thường dùng phương pháp này. Do vậy lò cảm ứng còn gọi là lò tần số và nguồn cấp cho lò là nguồn điện tần số cao. 1.3 Nguồn điện cao tần có thể tạo ra bằng nhiều cách : -Dùng máy phát điện tần số cao : do han chế về kích thước và số vòng quay nên dải tần số của cá máy phát điện không quá 10kHz. hiệu suất của các máy này có thể đạt cỡ 70% đến 80% . Do máy phát được chế tạo,với tần số công suất, điện áp nhất định nên khi cần gia nhiệt với điện áp khác thấp hơn, cần có biến áp để phối hợp tham số giữa nguồn cấp và phụ tải . -Dùng đèn phát điện tử : khi cần tần số lớn hơn 10kHz. hiệu suất của đènphát điện tử chỉ đạt 60% vì qua nhiều khâu biến đổi và tổn hao nhiệt lớn. -Dùng thyristor : còn bị hạn chế ở giải tần số cao và công suất lớn. sử dụng tốt ở các lò công suất nhỏ và trung bình. 1.4 Ưu điểm của thiết bị gia nhiệt bằng tần số - Có thể truyền năng lượng nhiệt cho vật cần gia công một cách nhanh chóng và trực tiếp ,không phải thông qua khâu trung gian nên có thể tự động hoá ở mức độ cao và có thể tiến hành gia nhiệt ở môi trường trung tính , chân không. -Có thể tôi bề mặt chi tiết(vỏ ngoài cứng, ruột trong mềm) một cách đơn giản nhờ hiệu ứng mặt ngoài của dòng cao tần.vật tôi có thể có hình dạng bất kì. -Tăng được năng suất lao động , gảm được lao đông mệt nhọc. 1.5 Ứng dụng của thiết bị gia nhiệt bằng tần số - Nấu chảy kim loại trong không khí khí trơ và chân không. - Nung phôi để rèn dập ép - Tôi, ram, ủ các chi tiết cơ khí. - Hàn - Gia công nhiệt hoá. - Sấy nung, hàn các chất điện môi, bán dẫn(như : sấy gỗ, dán gỗ, sấy khuôn đúc, sứ,sấy bột ,thóc giống, gạo, khử trùng trong đồ hộp, lưu hoá cao su, hàn gián nhựa, ni lông…. ) Việc gia nhiệt chất điện môi(sấy, nung… ) thực hiện nhờ điện trường E biến thiên (một thành phần của trường điện từ ). Trong điện trường biến thiên, các Sinh viên: Vũ Lê Chung Lớp: ĐTĐ – 46ĐH1 Page 2 Trường đại học Hàng Hải Việt Nam Đồ án môn học: Trang bị điện- điện tử phân tử diện môi bị phân cực. sự thay đổi hâóng phân cực thường chậm sau theo sự thay đổi hướng của điện trường và cần một năng lượng . năng lượng nay lam nóng điện môi hoặc chất bán dẫn lên. Tần số gia nhiệt điện môi tới 1kHz 1.6 Phân loại thiết bị gia nhiệt tần số Có thể phân loại theo tần số làm việc hay phạm vi sử dụng. a) Theo tần số làm việc ta có: - Thiết bị tần số công nghiệp lấy điện từ lướ hoặc qua máy biến áp. - Thiết bị trung tần với tần số làm việc 500 đến 600 Hz. Thiết bị nàythường dùng máy phát điện quay tần số cao hay dùng thyristor khi công suất nhỏ và vừa. - Thiết bị cao tần với tần số làm việc trên 1000Hz, thường dùng các đèn phát hoăc thyristor. b) Theo pham vi sử dụng có: +thiết bị biến tần dùng để nấu chảy kim loại và hợp kim Lò cảm ứng loại này phân ra hai loại (hình 1.1) là lò có lõi thép (lò máng hình 1.1a) và lò không có lõi thép (lò nồi hình 1.1b). Lò máng dung lượng nhỏ và nhiệt độ thấp nên hay dùng để nấu chảy kim loại màu .Lò nồi có dung lượng nồi càng lớn thì tần số càng giảm (để nóng đều giữa nồi ).Dung lương nồi có thể tới 10T, làm việc ở tần số 50Hz ,công suất 15000 kW. Hinh1.1 lò nấu chảy cảm ứng +Thiết bị nung phôi cho rèn, dập, cán phôi càng lớn thì tần số làm việc càng nhỏ. +Thiết bi tôi bề mặt thường làm việc ở tần số cao.lớp tôi càng mỏng thì tần số làm việc càng cao. +Thiết bị nung sấy chất diện môi và bán dẫn. 2. Sự truyền năng lượng bằng tần số Năng lượng được truyền đi từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng , biến đổi thành năng lượng điện từ trường. Trong vật thể gia nhiệt,điện năng dòng xoáy được chuyển thành nhiệt năng. Khi truyền sâu vào trong kim loại, độ lớn của các vectơ E,H (hai thành phần của trường điện từ)bị giảm dần và năng lượng trường điện từ cũng giảm dần (theo độ sâu truyền Z) hình1.2 cho biết sự giảm của E,H theo Z. Độ sâu (theo chiều Z vuông góc với bề mặt gia nhiệt ), tính theo công thức Sinh viên: Vũ Lê Chung Lớp: ĐTĐ – 46ĐH1 Page 3 Trường đại học Hàng Hải Việt Nam Đồ án môn học: Trang bị điện- điện tử = = 503. , [m] (2.1) Gọi là đọ sâu thẩm thấu. Trong công thức 2.1 thì : - Tần số góc. - hệ số từ thẩm tuyệt đối của kim loại: = . là hệ số từ thẩm tương đối của kim loại. là hệ số từ thẩm chân không. = 4. H/m. điện đẫn suất của kim loại. = 1 1 2 3 4 5 0,368 H/Ho E/Eo Z Z E H Hình 1.2 Sự suy giảm của E, H theo độ sâu Z. So 1cm^2 Hình 1.3 Vectơ poiting Sinh viên: Vũ Lê Chung Lớp: ĐTĐ – 46ĐH1 Page 4 Trường đại học Hàng Hải Việt Nam Đồ án môn học: Trang bị điện- điện tử Ở độ sâu Z = thì biên đô E,H chỉ còn 3,68 % so với bề mặt ngoài của kim loại. Nếu chỉ biểu thị dòng năng lượng (W) chảy qua một đơn vị diện tích (cm 2 )vuông góc với phương truyền sóng điện từ bằng vectơ gọi là vectơ poiting hình 1.3 thì độ dài (môdun) vectơ này sẽ giảm khi vào sâu trong kim loại. Tần số dòng gia nhiệt phù hợp được chọn theo bề dày tấm tôi. Nói chung tăng (lớp tấm tôi dày) thì tần số càng giảm. Với lớp tấm tôi <10 mm, tần số gia nhiệt tối ưu là F min = [Hz] Trong đó -cm Với lớp thấm tôi >10cm thì ta coi như ở chế độ nung và f tôi ưu tùy thuộc r, h của chi tiết gia công Bảng 1.1 cho các trị số f tôi ưu theo r, h r(mm) >80 35-80 25-60 15-40 8-20 h(mm) >160 65-160 45-80 25-60 15-40 f tôi ưu 50 500 1000 2500 8000 Khi chi tiết gia công càng nhỏ và tần số làm việc thấp thì việc truyền năng lượng sẽ khó khăn và hiệu suất thiết bị thấp. Do đó cần quy định một tần số làm viêc tối thiểu. f mim = [Hz] Trong đó: r-cm Sinh viên: Vũ Lê Chung Lớp: ĐTĐ – 46ĐH1 Page 5 Trường đại học Hàng Hải Việt Nam Đồ án môn học: Trang bị điện- điện tử CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI TẦN SỐ NGUỒN 2.1. Vòng cảm ứng Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn ampe nên tổ 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 2-5 A/mm 2 . Lam mát bằng nước chảy trong vòng cảm ứng rỗng tiết diện tròn, ô van hay chữ nhật cho phép mật độ dòng điện lên tới 50-70A/mm 2 . Dây dẫn làm vòng cảm ứng có thể rỗng vì dòng cao tần chỉ phân bố ở ngoài dây.trong dải radio thường dùng ống dây 1-5 mm. 2.2. Tụ điện Tụ điện dùng trong các sơ đồ của thiêt bị gia nhiệt tần số nhằm làm chức năng phân ly dòng một chiều hoặc bù cos . Các tụ này phải là tụ chịu điện áp cao tới hàng ngàn vôn và chịu tần số cao (tới 10kHz) tùy theo thiết bị gia nhiệt. 2.3. Các côngtắctơ Trong các thiết bị gia nhiệt tần số cao côngtắctơ được lựa chọn là côngtắctơ cao tần 2 cực chịu điện áp 1600V và tần số từ 500-10000 Hz. Ở mỗi cực có hai tiếp điểm: tiếp điểm chính (tiếp điểm làm việc) và tiếp điểm dập hồ quang . Tiếp điểm dập hồ quang đặt trong buồng dập hồ quang và có lưới , có cuộn dây phụ để thổi từ trường. Mỗi cặp tiếp điểm được nối song song với nhau. Khi đóng tiếp điểm dập hồ quang đóng trước rồi đến tiếp điểm chính. Khi ngắt ngược lại: tiếp điểm chính mở trước rồi đến tiếp điểm dập hồ quang. 2.4. Dây dẫn cao tần Đặc trưng 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 bằng tần số thường là thanh cái phẳng, ống rống có nước làm mát,cáp đồng trục cao tần hay cáp ruột, nhiều ruột thông thường. Sinh viên: Vũ Lê Chung Lớp: ĐTĐ – 46ĐH1 Page 6 Trng i hc Hng Hi Vit Nam ỏn mụn hc: Trang b in- in t Cap ụng truc co tr khang va cam khang nho so vi cac loai dõy dõn khac nhng no co cõu tao phc tap va tụn võt liờu hn. Hiờn nay a co nhng cap lc cao tõn c biờt chiu dong ti 500A, tõn sụ 10kHz va iờn ap ti 2kv. 2.5. B bin ụi tn sụ 2.5.1. Sơ đồ mạch động lực Mạch động lực gồm các phần chính sau đây: + Phần chỉnh l u + Phần nghịch l u Phần chỉnh l u: Phần chỉnh l u bao gồm biến áp chỉnh l u v bộ chỉnh l u điều khiển - chỉnh l u c u thyristor. Biến áp chỉnh l u l máy biến áp lực thông th ờng v đ ợc đấu sao/tam giac. Mục đích của kiểu dấu nhằm loại trừ sóng h i bên thứ cấp,không cho qua chỉnh l u v tiêu tám th nh phần n y bên sơ cấp nhằm tránh dòng điện v o l ới. Chỉnh l u cu dùng các thyristor công suất đ ợc nối theo sơ đồ cầu. Sơ đồ cầu có u điểm cho ra điện áp một chiều sau chỉnh l u chất l ọng cao v khả năng cho ra điện áp lớn khi dùng cùng một loại van nh các chỉnh l u khác. Phần mạch nghịch l u: Mạch nghịch l u ta dùng sơ đồ nghịch l u cầu sử dụng phần tử đóng cắt l IGBT công suất. Ngo i các phần trên còn có các mạch lọc ,các mạch lọc n y có tác dụng bảo vệ bộ nghịch l u v bộ chỉnh l u, lọc xung điện tần số lớn cho nguồn cung cấp. Các mạch lọc bao gồm: + Mạch lọc tránh xung điện áp cao từ l ới: đó l mạch lọc RC đ ợc mắc ngay sau máy biến áp lực, mạch n y có tác dụng lọc những xung điện áp cao từ l ới sau khi đi qua máy biến áp. Nhờ có mạch n y m xung điện áp đ ợc giảm đáng kể tr ớc khi đi v o mạch chỉnh l u. + Mạch lọc của bộ nghịch l u: Bao gồm mạch lọc tr ớc v sau nghich l u. Các mạch n y có tác dụng lọc ra th nh phần điện áp cơ bản cung cấp cho tải v ngăn không cho th nh phần sóng h i sang phần điện áp một chiều. Thiết bị bảo vệ v đóng cắt mạch l Aptomat bên sơ cấp v cầu chì bên thứ cấp. 2.5.2. Tính toán thông số mạch động lực Thụng sụ mach ụng lc. Công suất tải Pt = 15kW; Điện áp ra Ura = 220V; Tần số làm việc f = 50->5kHz; õy la thụng sụ cua mụt lo nõu thep Sinh viờn: V Lờ Chung Lp: T 46H1 Page 7 Trng i hc Hng Hi Vit Nam ỏn mụn hc: Trang b in- in t 2.5.2.1 . Sử dụng mạch cầu 3 pha đối xứng sử dụng 6 thysistor in ỏp pha th cp mỏy bin ỏp la: a U 2 = 2 sin b U 2 = 2 sin( -2 3/ ) c U 2 = 2 sin( -4 3/ - Góc mở của các van sẽ tính từ thời điểm giao của các đờng nửa hình sin. - Sơ đồ mạch cầu chỉnh lu 6 Thysistor đợc chia làm 2 nhóm : + Nhóm catot chung gồm có T 1 , T 3, T 5 + Nhóm anot chung gồm có T 2 , T 4 , T 6 Sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha đối xứng có điều khiển *Xác định các giá trị của mạch : - Ta có Điện áp chỉnh lu không tải: U do =220.1,055+2=234,1 V Giá trị trung bình điện áp trên tải là : Udo = 2 6 cos 63 ) 6 sin(22 2 6 5 6 UdU =+ + V với góc mở 0 0 = và Udo =234,1 (V) nên Sinh viờn: V Lờ Chung Lp: T 46H1 Page 8 Trng i hc Hng Hi Vit Nam ỏn mụn hc: Trang b in- in t Udo = 2 63 U V U2 = 100 ( V) - Giá trị dòng trung bình qua một van là : I TBVmax = Idmax/3 =68,18 /3 = 22,72 ( A ) - Giá trị điện áp ngợc lớn nhất đặt lên mỗi van là : Ung max = 6 U2 = 6 .100 = 244,95 ( V ) 2.2.2 Tính toán điện áp chịu đựng yêu cầu của IGBT: Điện áp đầu ra lớn nhất của bộ nghịch l u: Umax = 220 V Điện áp trên l điện áp dây hiệu dụng của bộ nghịch l u. Điện áp một chiều yêu cầu cung cấp cho đầu v o của bộ nghịch l u: Umax = E= 220 V Đặc điểm đóng cắt của các van bán dẫn trong chế độ nghịch l u l không phải chịu điện áp ng ợc đặt lên van, do vậy quá trình chọn van có thể chọn h ờ số an to n về áp thấp hơn khi chọn hệ số an to n về áp khi chọn van cho chỉnh l u thyristror. Bên cạnh đó, do ta có các mạch lọc cao tần LC nên ít xảy ra hiệnt ợng quá áp trên van do xung áp. Chọn hệ số an to n về áp của van bán dẫn l 1,5. Do vậy ta có điện áp chịu đựng yêu cầu của van bán dẫn có giá trị bằng: U = 1,5.220 = 330 V 2.2.3. Tính toán dòng điện cần thiết để chọn IGBT Dòng điện trong chế độ l m việc: Iv = 15000/220 =68,18 A Chọn ph ơng pháp l m mát bằng đối l u c ỡng bức, dùng quạt gió. Chọn hệ số dự trữ dòng điện l : Ki = 3,2 Dòng điện yêu cầu chọn IGBT: Ivan 3,2.68,18 = 218,18 A Vậy ta có chỉ tiêu chọn van bán dẫn: Ivan 218,18 A Uvan 330V Chọn ph ơng pháp l m mát bằng đối l u c ỡng bức, dùng quạt gió. Chọn van bán dẫn l m nhiệm vụ đóng cắt: Với công nghệ sản suất bán dẫn ng y nay thì dải công suất trên các van bán dẫn có thể đ ợc tích hợp trên một phần tử. Do đó ta chọn sáu van đ ợc tích hợp trên một phần tử. Chon van transistor:APGS50X170TE3 Sinh viờn: V Lờ Chung Lp: T 46H1 Page 9 Trng i hc Hng Hi Vit Nam ỏn mụn hc: Trang b in- in t Hình 3.11 : Sơ đồ nối điện v hình dạng của APGS50X170E3 Thông số của van APGS50X170TE3: + Loại van: Cầu + Hãng sản suất: Advanced Power Technology Europe + Điện áp ng ợc cực đại: UCES = 1700 V + Dòng điện chế độ dẫn liên tục: IC = 300 A + Nhiệt độ vận h nh thông th ờng: TC = 800C + Tần số đóng cắt tối đa: fmax = 20 kHz Bảng : Thông số kĩ thuật van ai lng Thụng sụ Gia tri cc ai n vi iờn ap anh thung colecter- Emiter 1700 V Dong iờn colecter khi Tc=25 0 c 450 A Tc=85 0 c 300 Dong colecter trong chờ ụ ong ct Tc=25 0 c 250 A iờn ap trờn Gate- Emitor 20 V Cụng suõt nhiờt cc ai cho phep trờn vo Tc=25 0 c 480 W Dong i ụt ngc Tc=125 0 c 350A/1600V Td(on) Thi gian tr m Chuyn mch ti cm (25 o c) U GE = 15 V 100 Tr Thi gian m thụng 100 Sinh viờn: V Lờ Chung Lp: T 46H1 Page 10 . tần số làm việc ta có: - Thiết bị tần số công nghiệp lấy điện từ lướ hoặc qua máy biến áp. - Thiết bị trung tần với tần số làm việc 500 đến 600 Hz. Thiết. cao tần có thể tạo ra bằng nhiều cách : -Dùng máy phát điện tần số cao : do han chế về kích thước và số vòng quay nên dải tần số của cá máy phát điện không