Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - Nghịch lưu lò tôi docx

Nghịch lưu lò tôi - 1 - CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT 1. Khái niệm: Lò tôi cảm ứng là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần. 2. Ứng dụng và ưu nhược điểm: Lò tôi cảm ứng hiện nay được sử dụng rất rộng rãi trong ngành luyện kim, đây là phương pháp nhiệt luyện tiên tiến, chủ yếu dùng để tôi bề mặt. Nó có những tính năng ưu việt sau : - Có thể truyền nhiệt lượng cho vật cần tôi một cách trực tiếp, nhanh chóng không cần qua khâu trung gian do đó có thể tiến hành tự động hoá sâu và hiệu suất cao. Đồng thời, do thời gian nung ngắn nên bề mặt sản phẩm không bị oxihoá - Có thể tiến hành gia nhiệt trong các môi trường khác nhau như môi trường trung tính, chân không một cách dễ dàng. - Do đặc điểm của phương pháp mà chi tiết đem tôi có độ cứng bề mặt cần thiết trong khi vẫn giữ được độ dẻo thích hợp trong lõi đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với chi tiết đem tôi. Mặt khác, lò tôi cảm ứng có thể tôi được các chi tiết có hình dạng phứ c tạp mà các phương pháp khó có thể đáp ứng ví dụ như các trục khuỷu, bánh răng, vấu - Do có thể tự động hoá sâu mà năng suất lao động được nâng lên, điều kiện lao động cũng được cải thiện. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm: Nghịch lưu lò tôi - 2 - - 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, ngoài 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 làm việc ở chế độ nặng nề nhất ( đặc biệt chi tiết l ớn trên 30) vì lõi không được hoá bền. 3. Tính chất công nghệ: -Tính chất tải của lò cao tần là tải cảm: Lò tôi cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, gồm các cuộn dây được cấp nguồn có tần số cao; khi cho tải đi qua là các chi tiết bằng thép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản thân chi tiết. Xét một cuộn dây quấn xung quanh lõi thép, khi đặt vào 2 đầu của cuộn dây này một điện áp xoay chi ều hình sine sẽ làm phát sinh một dòng điện có cường độ i đi qua cuộn cảm: i = I 0 .sin(ωt) Trong cuộn cảm xuất hiện một suất điện động tự cảm: e = -L dt di = -ωLI0 0 cos(ωt) Giả thiết điện trở R của cuộn cảm bằng không, khi đó ta có định luật Ôm cho đoạn mạch sẽ là: u = R.i-e = ωLI 0 0 cos(ωt) = ωLI0 0 sin(ωt+π/2) => u = U 0 sin(ωt+π/2) Nghịch lưu lò tôi - 3 - Như vậy hiệu điện thế ở hai đầu cuộn cảm (không có điện trở) biến thiên điều hoà cùng tần số góc với dòng điện qua cuộn cảm và sớm pha hơn dòng điện π/2 - Để nghiên cứu quá trình truyền năng lượng điện từ từ nguồn điện vào thanh kim loại người ta sử dụng phương trinh Macxoel trong trường điện t ừ: rot H = j + t D ∂ ∂ ; div H =0; rot E = - t B ∂ ∂ ; div E=0; trong đó: B=H : độ từ cảm,[T]; H – cường độ từ trường, [H] D= 0 E : điện cảm,[C/ m 2 ]; E – cường độ điện trường, [V/m] j =E = E/ - mật độ điện dẫn  - điện trở suất của kim loại  - điện dẫn suất của kim loại Qua biến đổi ta được năng lượng cung cấp cho kim loại: S= Q P 2 2 + với năng lượng cấp nhiệt cho kim loại: γδ δ 2 0 2 2 e HP z− = năng lượng phản kháng: γδ δ 2 0 2 2 e H i Q z− = trong đó bề dày thẩm thấu H 0 – cường độ từ trường ở bề mặt kim loại. Nghịch lưu lò tôi - 4 - - Phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần được dùng khá phổ biến trong các xưởng nhiệt luyện. Đây là một dạng nguồn nhiệt được sinh ra trong bản thân chi tiết nhờ dòng điện cảm ứng tập trung ở bề mặt. Vì vậy, trong một lớp mỏng ở bề mặt lượng nhiệt toả ra rất lớn, nung bề mặt chi tiết với một tốc độ rất cao. Nhiệt lượng được phát sinh chủ yếu do hai nguyên nhân: + Xuất hiện dòng Fucô : đây là các dòng điện khép kín ( có chiều ngược với chiều của dòng kích thích) do đó được biến đổi hoàn toàn thành nhiệt năng. Trên thực tế, tần số được sử dụng để nhiệt luyện thường từ 500Hz ÷ 1MHz. Tần số càng cao thì chiều sâu nung càng nhỏ. Chiều sâu của lớp mỏng tiêu thụ 86,5% lượng nhiệt cung cấp được gọi là chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng, được tính bằng công thức:  f μ ρ (m) + Xuất hiện đường cong từ trễ : dưới tác dụng của từ trường ngoài với cường độ H[A/m], trong vật liệu dẫn điện xuất hiện cảm ứng từ (mật độ từ thông) B[T]. Khi từ trường biến thiên, sẽ tạo nên vòng từ trễ và diện tích của vòng từ trễ chính là năng lượng điện từ được chuyển thành nhiệt năng: S T = BdH [J/m 3 ] S T thể hiện lượng nhiệt được sinh ra trong một đơn vị thể tích vật liệu dưới tác động của điện từ trường biến thiên. - Trong quá trình tôi, chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng bị thay đổi do giá trị điện trở suất ρ và độ thẩm từ μ thay đổi theo nhiệt độ. Khi nung từ nhiệt độ thường tới nhiệt độ Quyri (7680C), điện trở suất tăng mạnh, còn độ thẩm từ gần như không đổi. Sau nhiệt độ Quyri điện trở suất tăng chậm lại, độ thẩm từ nhanh chóng giảm xuống tới =1, cường độ nung giảm mạnh, do đó, trên thực tế khi nung thép phải tính toán riêng cho hai giai đoạn nung ( dưới và trên điểm Quyri). Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng đối với thép cacbon thấp như sau: Nghịch lưu lò tôi - 5 - Dưới 700 0 C: f 2 1 = δ [cm] Trên 800 0 C: f 60 2 = δ [cm] Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f=10000Hz, nhiệt độ nung thay đổi từ 20 ÷ 100 0 C thì ρ thay đổi từ 10.10 -6 ÷130.10 -6 ( Ω m) và μ thay đổi từ 60 ÷ 1(H/m). Khi đó lớp thấm tôi cung thay đổi  ÷ 6,7(mm). Với công suất tôi là 45kW thì thích hợp cho việc tôi các vật có kích thước vừa và nhỏ khoảng 20 cm với lớp tôi từ 0,5-6 mm như các bánh răng, trục khuỷu Trong trường hợp toàn bộ lớp tôi được 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 vào tần số mà còn phụ thuộc vào bản chất của vật liệu tôi, nhiệt độ nung và tốc độ nung trong khoảng chuyển biến pha, nói chung ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri. Để Nghịch lưu lò tôi - 6 - đảm bảo chất lượng lớp tôi với thông số đã xác định là 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 phương pháp tính toán ( chủ yếu là thực nghiệm) giả định rằng công suất riêng, tính cho một đơn vị bề mặt là không đổi. Th ực 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 này thường nhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt ( ≈  2 ) nhiều lần, nên có thể coi rằng nhiệt lượng sinh ra từ bề mặt được truyền vào trong bằng dẫn nhiệt. Vì vậy sử dụng phương trình mô tả quá trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt không đổi (từ bề mặt) để tính toán, ta được: τ λ τ ϑ 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 - là 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 hàm Krampa Khi đó nhiệt độ trên bề mặt (x=0) tính theo công thức sau: Nghịch lưu lò tôi - 7 - π τ λ ϑ aq M 2 = Từ đó thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn một được tính là: 2 2 2 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = qa ϑλπ τ b, Xác đinh thời gian nung giai đoạn hai: Đây là giai đoạn nung từ nhiệt độ Quyri đến nhiệt độ tôi. Do độ thẩm từ giảm mạnh, chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng được tăng lên tương ứng với chiều sâu lớp tôi. Do đó, để tính toán ta sử dụng phương trình vi phân mô tả quá trình dẫn nhiệt với nguồn nhiệt phân bố đều trong toàn lớp tôi bề mặt. Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ như sau (với x≤  2 ): () () ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛− −+ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛+ += 1 2 1 2 4 2 2 2 2 2 2 2 ττ λ δ δ δ δ δ ϑ a x Fx a x Fx q Q Trong đó:  Q = t- t Q là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri t Q , 0 C  2 – chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, m Hàm F(z) tính như sau: F(z) = 2 1 2 1 1 2 z e z erfz z − + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + π erfz – Hàm Krampa theo z Khi đó: Nhiệt độ tại bề mặt chi tiết (x=0) trong giai đoạn hai tính như sau: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 1 2 2 22 τ δ λ δ δ a F q QM Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x= 2 ) tính như sau: Nghịch lưu lò tôi - 8 - ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 1 2 22 τ δ λ δ δ a F q QT Dựa trên các công thức này và bằng phương pháp gần đúng liên tục (cho giá trị τ , tính Q ϑ và t, nếu sai số lớn thì chọn lại τ và lặp lại phép tính) có thể tính thời gian nung từ điểm Quyri đến nhiệt độ tôi của bề mặt chi tiết và của giới hạn trong lớp tôi. Cuối cùng thời gian nung tổng thể bằng tổng thời gian nung của giai đoạn một và hai 5. Yêu cầu chất lượng, đặc điểm nguồn cấp và cấu tạo thiết bị - Chất lượng của thép được đem tôi được đánh giá qua các thông số Độ dày lớp được tôi, độ cứng, độ dẻo nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: + Đặc điểm của thép đem tôi: thành phần cacbon, hình dạng, kích thước + Thời gian tôi, thời gian làm nguội + Đặc điểm của nguồn (tần số, biên độ, công suất ), môi chất làm nguội. - Đặc điểm c ủa nguồn điện cấp cho lò tôi: Bộ nguồn nghịch lưu đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho lò khi có tải tức lúc đang tôi và phải đảm bảo làm việc được lúc không tải khi chi tiết đem tôi di chuyển hết ra khỏi ống vòng dây của thiết bị nung. Do đặc điểm làm việc của lò tôi là không tải thường xuyên lặp lại nên nghịch lưu đòi hỏi phải làm việc đượ c 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 là: nguồn phát tần số và cuộn cảm ứng, ngoài ra còn có các bộ phận để làm nguội. + Nguồn phát tấn số cao có hai loại chính Nghịch lưu lò tôi - 9 - 1. Máy phát tần số trung bình (500 – 10.000 Hz) dùng chủ yếu để nung sâu hoặc để nấu chảy kim loại 2. Máy phát tần số từ 10.000 – 200.000 Hz dùng chủ yếu để nung các chi tiết có kích thươc trung bình với độ sâu thẩm thấu khoảng 0,1 – 2 mm 3. Máy phát tần số cao (200.000 – 500.000 Hz) dùng bóng bán dẫn để nung lớp mỏng bề mặt . + Cuộn cảm ứng có nhiều loại, tuỳ thuộc vào hình dáng, kích thước của chi tiết, phương pháp nung cũng như công suất của thiết bị và yêu cầu về năng suất cần đạt. Nghịch lưu lò tôi - 10 - CHƯƠNG II: ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Do đặc thù của lò tôi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lưu một pha cho phần nghịch lưu của bộ nguồn lò tôi thép. Ta sét lần lượt các sơ đồ sau: 1. Sơ đồ nghịch lưu áp một pha Đặc điểm: nguồn đầu vào là nguồn áp, nên có tụ C (C-> ∞ ) mắc song song với điện trở nguồn. Do vậy nguồn trở thành nguồn hai chiều: phát năng lượng cho tải đồng thời tiếp nhận năng lượng của tải trả ngược về, được tích luỹ trong tụ C, thông qua các diode mắc song song ngược với các van động lực chính. Xét đồ thị hoạt động của mạch: - Điện áp nghịch lưu có dạng xung vuông chữ nhật, có tần số f N tạo ra nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ: f N =f đk Do đó khi thay đổi tần số điều khiển f đk có thể thay đổi tần số nghịch lưu f N tuỳ ý. - Ưu nhược điểm: + Ưu điểm: [...]... số nghịch lưu, để đảm bảo các van được khoá chắc chắn - Ngịch lưu cộng hưởng song song sử dụng nguồn dòng nên không thể làm việc được ở chế độ không tải - 17 - Nghịch lưu lò tôi * Qua những phân tích trên ta đi đến kết luận: sử dụng sơ đồ cầu cộng hưởng nối tiếp (cộng hưởng nguồn áp) để thiết kế phần nghịch lưu cho bộ nguồn lò tôi thép - 18 - Nghịch lưu lò tôi CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MẠCH LỰC Số liệu: ... trình tôi, nên ta không thể thực hiện bù đủ được, do vậy - 13 - Nghịch lưu lò tôi mà mạch chỉ tiệm cận tới dao động cộng hưởng Sau đây ta xét các mạch dao động cộng hưởng cơ bản: a, Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp: - Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, bộ nghịch lưu phải là nghịch lưu nguồn áp Ta xét sơ đồ cầu: - 14 - Nghịch lưu lò tôi o Sơ đồ này sử dụng cộng hưởng nguồn áp nên có thể làm việc... 2 Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha - Đặc điểm: Nguồn đầu vào là nguồn dòng, do đó nguồn được nối nối tiếp với Ld (Ld -> ∞ ) nhằm san phẳng dòng đầu vào: Td = const - 11 - Nghịch lưu lò tôi - Dòng điện nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, có tần số fN tạo ra nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ Do đó có thể thay đổi fN theo tần số điều khiển fđk - Xét đồ thị hoạt động của mạch: - Ưu nhược... Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng song song: - Sử dụng nguồn dòng vì phụ tải gồm tụ điện, điện cảm và điện trở nối song song ở đầu ra tạo nên tải nguồn áp - 15 - Nghịch lưu lò tôi - 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 thành mạch cộng hưởng dao động với tần số riêng: ω - 0 = Ld + Lt 1 − Ld Lt C 4 R 2 C 2 Xét đồ thị hoạt động của mạch: -. .. – 70 0C Sau mạch tạo dao động ta nắp thêm mạch R-Diode để loại bỏ phần xung âm: ta chọn R3= 1 k Ω và diode 1N4448 có các thông số sau: + Điện áp ngược: Ung=20 V + Dòng điện max: Imax=100mA 2 Tính toán khâu chia xung và phân kênh - Ta sử dụng T-Flip-Flop làm mạch chia xung ( chia 2) và phân kênh - 27 - Nghịch lưu lò tôi T Flip-Flop được tạo ra từ D-Flip-Flop bằng cách nối đầu ra Q với đầu vào D Xung... điều khiển: Ug = 2,5 (V) - Dòng điện xung điều khiển: Ig = 100 (mA) - Đạo hàm điện áp: du/dt = 200 (V/s) - 21 - Nghịch lưu lò tôi - Đạo hàm dòng điện: di/dt = 250(A/ μ s) • Xét các thông số của Diode: - Dòng trung bình qua Diode: 1 ITB-D = 2π π ∫ π β 2 I N sin(θ + β )dθ = − − 2 2π - 2 2π I N cos(θ + β ) π − β = π I N (1 − cos β ) = 6,6 (A) Điện áp ngược đặt lên Diode: Ung-D max = E =409 (V) Chọn... mạch: - 16 - Nghịch lưu lò tôi - Do hiện tượng cộng hưởng nên uN, iN có dạng gần sine chứa ít thành phần sóng điều hoà bậc cao do đó mà nâng cao được hiệu suất của BBĐ - Các đại lượng du/dt, di/dt có giá trị nhỏ nên phù hợp để sử dụng cho thiết bị làm việc với tần số cao, mà không đòi hỏi nhiều về mạch bảo vệ van tránh hiện tượng xung - Nghịch lưu cộng hưởng có dự trữ góc β lớn để nghịch lưu làm việc... chiều cung cấp cho nghịch lưu: E= π 2 2 UN = π 2 2 368,5 ≈ 409 (V) Ở đây, điện áp uN >> Δ U _ độ sụt áp trên van nên ta có thể bỏ qua độ sụt áp này - 20 - Nghịch lưu lò tôi 1 Lựa chọn các van: • Xét các thông số van Tiristor: - Dòng trung bình qua van: ITB-T = 1 2π π −β ∫ 2 I N sin(θ + β )dθ = − 0 2 2π - 2 2π I N cos(θ + β ) π − β = 0 I N (cos β + 1) = 91,9 (A) Điện áp ngược max: Ung-T max = E =409... Dòng điện điều khiển Iđk= 100mA + Tần số nghịch lưu fN= 10000Hz - 25 - Nghịch lưu lò tôi + Độ rộng xung răng cưa tx + Mức sụt áp xung cho phép Δ Ux=0,2 V + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển 15V 1 Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động Ta cần tạo ra mạch phát xung điều khiển có tần số fđk=2.fN (vì khi sau khi đi qua khâu chia xung, phân kênh là T-Flip-Flop thì tần số sẽ bị giảm đi một nửa) Ở... tạo ra dao động cộng hưởng và đồng thời phải bù thừa nhằm tạo ra góc khóa β cần thiết để chắc chắn là khóa được van lực o Và do cộng hưởng nối tiếp nên sơ đồ này có thể làm việc được với tải biến thiên rộng và trong thực tế sơ đồ này được sử dụng rộng rãi Vì vậy ta chọn sơ đồ này để thiết kế phần nghịch lưu cho bộ nguồn lò tôi thép *Xét hoạt động của mạch: - Điện áp nghịch lưu dạng xung chữ nhật, dòng . Nghịch lưu lò tôi - 10 - CHƯƠNG II: ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Do đặc thù của lò tôi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lưu một. đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp: - Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, bộ nghịch lưu phải là nghịch lưu nguồn áp. Ta xét sơ đồ cầu: Nghịch lưu