12 W đl lt dl
CHƯƠNG 7 PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG Đ1 Khỏi niệm chung, ứng dụng
Đ1. Khỏi niệm chung, ứng dụng
1. Phương phỏp cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi cú vật dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiờn thỡ trong vật sẽ sinh ra dũng điện cảm ứng, dũng điện cảm ứng này sẽ nung núng vật dẫn đú.
2. Ứng dụng: phương phỏp cảm ứng cú nhiều ứng dụng trong lý thuyết điện nhiệt như nung cảm ứng để nấu chảy kim loại trong cỏc lũ luyện thộp; nung cảm ứng để tụi luyện cỏc chi tiết mỏy; hàn chi tiết mỏy bằng phương phỏp cảm ứng; sấy vật liệu bằng phương phỏp cảm ứng…
Ở đõy sẽ xem xột hai ứng dụng chớnh là: nung tụi chi tiết mỏy, luyện thộp bẳng phương phỏp cảm ứng
3. Phõn loại phương phỏp cảm ứng: được phõn thành a. Phương phỏp cảm ứng trực tiếp
b. Phương phỏp cảm ứng giỏn tiếp
Phương phỏp trực tiếp: là dũng điện cảm ứng trực tiếp nung núng vật nung, phương phỏp này là phổ biến được dựng trong nung tụi chi tiết mỏy, luyện kim sản xuất thộp trong cỏc lũ cảm ứng..
Phương phỏp giỏn tiếp: dũng năng lượng nhiệt do dũng điện cảm ứng trong vật dẫn trung gian để nung núng vật khỏc. Phương phỏp này ớt được sử dụng.
4. Đặc điểm của phương phỏp cảm ứng là cường độ nung núng phụ thuộc vào hai đại lượng quan trọng đú là:
- Tần số của dũng điện trong cuộn cảm ứng
- Cường độ từ trường H của dũng điện trong cuộn cảm ứng
Vớ dụ: ở tần số 50 Hz và cường độ từ trường H = 3000 – 5000 A/m, mật
độ cụng suất nung tớnh cho đơn vị diện tớch khụng vượt quỏ 10 W/cm2. Khi tăng tần số lờn cao khoảng lớn hơn 10 KHz, mật độ cụng suất đạt tới hàng trăm, hàng nghỡn W/cm2. Lỳc đú nhiệt độ tăng cao làm núng chảy cả những kim loại, hợp kim trong cỏc lũ luyện kim.
Mặt khỏc cần chỳ ý rằng khi tần số tăng cao độ thấm sõu của dũng điện vào kim loại càng giảm xuống, bề mặt được nung núng càng cú độ dày giảm và ngược lại. Như vậy khi tăng tần số cao là cú phương phỏp nung tụi bề mặt, khi hạ thấp tần số là cú phương phỏp nung tụi sõu hoặc nung tụi xuyờn, đú là cỏch thức thực hiện nung tụi chi tiết mỏy bằng phương phỏp cảm ứng. Đ2. Cuộn cảm ứng 1 2 1 2 Hỡnh 1a Hỡnh 1b Hỡnh 1a- cuộn cảm ứng dạng hỡnh trụ Hỡnh 1b- cuộn cảm ứng dạng hỡnh phẳng 1- vật nung 2- cuộn cảm ứng
Trong cỏc thiết bị làm việc theo phương phỏp cảm ứng cuộn cảm ứng là một bộ phận của thiết bị. Đú là nơi tạo ra từ trường biến thiờn cung cấp năng lượng cho vật nung tụi và cũng là nơi đặt vật nung.
Hỡnh 1a và hỡnh 1b là cuộn cảm ứng dựng trong nung tụi chi tiết mỏy với vật nung cú hai dạng: dạng trụ và dạng phẳng. Người ta nhận thấy rằng hiệu quả nung tụi cảm ứng càng cao khi cuộn cảm ứng cú hỡnh dạng giống hỡnh dạng vật nung, điều này cú thể giải thớch rằng dạng từ trường do từng dạng cuộn dõy cảm ứng sinh ra càng gần giống dạng vật nung thỡ càng cho hiệu quả cao. Như vậy cấu trỳc của cuộn cảm ứng phụ thuộc vào hỡnh dỏng của vật tụi. Và đõy cũng là nhược điểm của phương phỏp nung tụi cảm ứng, tức là để cú hiệu quả nung tụi cao phải cú cuộn cảm
ứng riờng cho từng loại hỡnh dạng vật nung, cũn với lũ nung tụi bằng phương phỏp điện trở thỡ khụng yờu cầu phải như vậy.
Cuộn cảm ứng được chế tạo bằng đồng nguyờn chất để giảm điện trở. Mặt khỏc vỡ cú hiện tượng hiệu ứng bề mặt do dõy điện trở trong cuộn cảm ứng với tấn số biến thiờn tới hàng trăm KHz nờn cuộn cảm ứng cú cấu trỳc rộng ruột H.1a và H.1b, người ta thường bơm nước, khụng khớ qua ruột cuộn dõy để làm mỏt với tốc độ 10 – 15 m/s.
Đ 3: Tương quan năng lượng giữa cuộn cảm ứng và vật nung tụi
Cuộn cảm ứng tạo ra năng lượng thụng qua từ trường biến thiờn với tần số f , vật nung hấp thụ năng lượng đú. Lập được quan hệ trao đổi năng lượng giữa cuộn cảm ứng và vật nung như sau:
∆ =P 10 .−4Hm. à ρ. .t f (1)
Với Hm – biờn độ cường độ từ trường cuộn cảm ứng, A/cm à- hệ số từ thẩm của vật nung
ρt- điện trở suất của vật nung , Ωcm
f- tần số dũng trong cuộn cảm ứng, Hz
∆P- mật độ cụng suất đú là cụng suất tớnh trờn đơn vị diện tớch bề mặt phớa trong cuộn cảm ứng, W/cm2
à ρ. .t f - hệ số hấp thụ Để thuận tiện khi tớnh ∆P thay - Hm = Im. W0
- Im = 2.I
- Im – biờn độ dũng điện cuộn cảm ứng
W0 - số vũng cuộn cảm ứng trờn chiều cao của cuộn Thay vào (1) cú: 4 ( )2 0 10 .2. W . . .t P − I à ρ f ∆ = (2)
Từ (2) thấy rằng cụng suất vật nung hấp thụ được từ cuộn cảm ứng tỷ lệ với bỡnh phương ampe - vũng IW0 , cuộn cảm ứng và hệ số hấp thụ cụng suất.
Cụng suất của cuộn cảm ứng P được tớnh theo: P= ∆P S. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
S- diện tớch bề mặt phớa trong cuộn cảm ứng
Sẽ xột hai ứng dụng của phương phỏp cảm ứng: nung tụi chi tiết kim loại và phương phỏp cảm ứng trong luyện kim.
Đ 4. Một số phương phỏp nung tụi cỏc chi tiết kim loại trong chế tạo mỏy
Trong chế tạo mỏy nung tụi chi tiết mỏy bằng kim loại được thực hiện với mục đớch nõng cao chất lượng. Cú thể thực hiện nung tụi trong lũ điện trở. Thực tế nhận thấy rằng nung tụi theo phương phỏp cảm ứng cho phộp tạo lớp nung tụi trờn bề mặt chi tiết theo yờu cầu, bề mặt được nung tụi chịu được sự mài mũn cao hơn nhiều ( từ 3- 5 lần) so với ở lũ điện trở, tạo được những chi tiết vừa chịu mài mũn tốt lại chịu được lực tốt, cựng với nhiều ưu điểm khỏc.
Tuỳ thuộc vào tần số dũng điện trong cuộn cảm ứng mà phõn thành hai chế độ nung tụi sau đõy:
1. Chế độ nung tụi sõu
Chế độ này được thực hiện với tần số dũng cảm ứng được chọn sao cho độ thấm sõu của dũng điện vào bề mặt chi tiết bằng độ dày yờu cầu của lớp nung tụi XK
Za = XK
Cú thể biểu diễn điều này trờn đồ thị hỡnh 1, được lập theo quan hệ giữa nhiệt độ phụ thuộc vào cụng suất t (P) và độ dày yờu cầu nung tụi XK phụ thuộc vào độ thấm sõu dũng XK ( Za )
XK K Za XK t t Za P Hỡnh 1
Quỏ trỡnh nung tụi xảy ra tức khắc toàn bộ suốt cả độ dày lớp nung XK . Khi giỏ trị Za ≈ XK với 503 t
a
Z
f
ρ à
= thấy rằng ở chế độ nung tụi sõu tần số f phải chọn tương đối thấp, nung núng được thực hiện toàn bộ độ dày XK cựng lỳc, do đú cụng suất mỏy phỏt phải lớn.
Ở hỡnh 1 biểu diễn sự phõn bố nhiệt độ từ bề mặt vào sõu trong vật nung tụi.
t
∆ - là độ chờnh nhiệt giữa bề mặt và độ sõu nung tụi XK. Nung tụi sõu cú chất lượng cao so với nung tụi cỏc chế độ nung tụi bề mặt, và ở lũ điện trở.
Nhưng nung tụi sõu đũi hỏi mỏy phỏt phải cú cụng suất lớn hơn gõy khú khăn trong chế tạo, tăng giỏ thành thiết bị.
2. Nung tụi bề mặt
Được thực hiện ở tần số tương đối cao so với nung tụi sõu. Lỳc này độ thấm sõu Za nhỏ hơn nhiều so với độ thấm sõu cần được nung tụi XK , biểu diễn trờn hỡnh 2. t XK Za t XKZa t P
Hỡnh 2. biểu diễn sự phõn bố nhiệt độ từ bề mặt vào sõu trong vật nung ở chế độ nung tụi bề mặt.
Ở chế độ nung bề mặt Za < XK, việc nung núng toàn bộ độ dày XK là do sự dẫn nhiệt của vật nung tụi.
Ưu điểm của nung tụi bề mặt là cụng suất dựng cho độ sõu Za nhỏ, nhờ đú giảm được cụng suất mỏy phỏt, thuận tiện cho chế tạo. Hỡnh 2 cụng suất hữu ớch tỷ lệ với phần gạch chộo.
Ở tần số thấp hơn qui định việc thực hiện nung tụi khụng thực hiện được vỡ độ thấm sõu của dũng sẽ rất lớn, năng lượng nhiệt khụng đủ để đảm bảo nhiệt độ nung tụi.
Ở phương phỏp cảm ứng thực hiện được cả nung tụi bề mặt cả nung tụi sõu- đõy là ưu điểm của phương phỏp này, ở lũ điện trở khụng thực hiện được nung tụi sõu.
3. Chọn tần số trong nung tụi
Tần số nung tụi được chọn theo sự kết hợp với kinh nghiệm trong vận hành.Tuỳ theo phương thức nung tụi là bề mặt hay nung tụi sõu mà đưa ra cỏc giỏ trị cụ thể.
Trong cỏc thiết bị nung tụi đều cú bảng giỏ trị cho từng phương thức. Ở đõy đưa ra những giỏ trị mang tớnh vớ dụ; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tần số chọn phải phự hợp với độ dày nung tụi Za theo: 5030 t a Z f ρ à =
Vậy nờn khi tăng tần số độ dày nung tụi Za giảm và ngược lại Với nung tụi sõu cú thể chọn theo:
4 52 2 2 2 10 4.10 ( ) K K f Hz X < < X
Với những vật đơn giản dạng trụ, đường kớnh d (mm) cần nung tụi xuyờn suốt cả trụ thỡ chọn: 6 2 3.10 ( ) f Hz d = với XK(mm) d (mm)
Với nung tụi bề mặt tần số xỏc đinh theo khoảng:
64.10 4.10 ( ) K f Hz X >
Với những vật đơn giản ( mặt phẳng, dạng trụ…) xỏc định theo
42 2 5.10 ( ) K f Hz X =
Với những chi tiết phức tạp chọn tần số theo
65.10 5.10 ( ) K f Hz X =
Ngoài ra khi sử dụng cỏc thiết bị nung tụi tỡm được trong sổ tay tài liệu hướng dẫn.
Đ 5. Tớnh cụng suất mỏy phỏt cấp nguồn Điện ỏp cấp cho cuộn cảm ứng
1. Cụng suất mỏy phỏt Pn tớnh theo
. . os n P S P c η ϕ ∆ =
Với : ∆P- mật độ cụng suất bề mặt phớa trong cuộn cảm ứng S- diện tớch bề mặt trong cuộn cảm ứng
η- hiệu suất thường từ 0,50 – 0,87
cosϕ- hệ số cụng suất, hệ số cosϕ rất thấp từ 0,1 – 0,3
2. Điện ỏp cấp cho cuộn cảm ứng trong nung tụi thường chọn theo sự kết hợp với kinh nghiệm; đưa ra khoảng chọn:
U = ( 50 – 250 ) V
Với nung tụi bề mặt: U = ( 50 – 100 ) V
3. Nõng cao hệ số cụng suất cho cuộn cảm ứng
Cuộn cảm ứng cú hệ số cụng suất cosϕ thấp cosϕ = 0,1 – 0,3 bởi vậy bắt buộc phải nõng cao hệ số cụng suất. Trị số của tụ điện C dựng để nõng cao hệ số cụng suất được tớnh theo:
( 1 2) 2n . P C tg tg U ϕ ϕ ω = −
Với Pn – cụng suất của nguồn , W U – ỏp trờn cuộn cảm ứng, V
2 f
ω = π - ; f- tần số dũng cảm ứng
1
tgϕ - từ hệ số cụng suất trước khi nõng cao cosϕ1 2
tgϕ - từ hệ số cụng suất trước khi nõng cao cosϕ2 C- trị số tụ điện , F
Cỏc bộ tụ điện được đấu song song với cuộn cảm ứng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đ 6. Cỏc loại lũ luyện kim theo phương phỏp cảm ứng
Hiện nay trong luyện kim, sản xuất sắt thộp xõy dựng, thộp hợp kim, trong chế tạo mỏy… thường dựng lũ cảm ứng. Xột hai loại lũ phổ biến: 1. Lũ mỏng ( lũ cú lừi thộp) 1 2 3 4 U Hỡnh 1 Trờn hỡnh 1 - cấu tạo lũ mỏng 1- Lừi thộp 2- Cuộn cảm ứng 3- Mỏng 4- Thộp hợp kim
Nhờ cú lừi thộp, từ thụng trong lừi lớn nhờ đú dũng cảm ứng trong thộp lớn, tạo được nhiệt độ cao, tốc độ nung chảy cao. Loại lũ này dựng phổ biến cho thộp hợp kim.
2. Lũ nồi ( lũ khụng cú lừi thộp) 1 2 U 3 Hỡnh 2
Hỡnh 2- cấu tạo lũ nồi 1- Vỏ lũ
2- Cuộn cảm ứng 3- Thộp hợp kim
Lũ nồi khụng cú lừi thộp, từ thụng biến thiờn qua kim loại nhỏ hơn lũ mỏng, nhiệt độ thấp hơn nhưng ớt chịu tỏc động của lực điện động, nhiệt độ quỏ cao nhờ đú thộp ớt bị phế phẩm, ớt bị chỏy, phự hợp luyện kim loại cú giỏ trị.
Đ 7. Nguồn ỏp cung cấp cho cuộn cảm ứng
Nguồn ỏp cho cuộn cảm ứng đũi hỏi phải cú tần số cao hơn nhiều tần số dũng điện cụng nghiệp 50 Hz đồng thời phải điều chỉnh được và làm việc ổn định trong cỏc thiết bị nung tụi và luyện kim.
Điểm qua một số nguồn ỏp được sử dụng trong phương phỏp cảm ứng như sau:
1. Mỏy phỏt tần số cao: là mỏy phỏt đồng bộ với roto cú số đụi cực từ p, tần số f của dũng điện phỏt ra là:
( )
60
np
f = Hz
n- số vũng quay của roto
Khi tăng số đụi cực từ p sẽ tăng tần số f. Nhưng số đụi cực từ p cũng bị hạn chế kết cấu của mỏy. Do đú tần số của loại mỏy phỏt này hạn chế f ≤800Hz loại mỏy phỏt này trước kia dựng trong lũ luyện kim. 2. Mỏy phỏt điện cảm ứng
Tần số của mỏy phỏt điện cảm ứng f xỏc định theo:
( )
60
nZ
f = Hz
với n- tốc độ quay của roto Z - số răng của roto
Khi tăng số răng Z của roto tăng tần số f. Mỏy phỏt điện cảm ứng làm việc với tần số f < 1 KHz.
Cỏc loại mỏy phỏt điện quay ở trờn cú nhược điểm là hiệu suất thấp,kớch thước lớn, vận hành bảo hành khú… Ngày nay với kỹ thuật điện tử cụng suất phỏt triển người ta tạo ra nguồn ỏp cú hiệu suất cao, làm việc ổn định, khụng tiếng ồn cựng với nhiều tớnh năng ưu việt khỏc. Sau đõy xem xột mạch điện tử cụng suất như vậy.
FX T8 T8 T7 T1 T3 T5 T2 T4 T6 L BA Cuộn cảm ứng CCƯ Biến áp xung BAX C Hỡnh 1
Hỡnh 1- sơ đồ nguyờn lý của bộ biến đổi tần số tĩnh là mạch điện tử cụng suất, cấp điện ỏp cho cuộn cảm ứng của lũ luyện kim.
Cú thể trỡnh bày nguyờn lý làm việc của mạch hỡnh 1 như sau: từ biến ỏp nguồn ba pha BA đưa ỏp thớch hợp vào bộ chỉnh lưu dựng Tiristor T1, T2, T3 , T4, T5, T6 bố trớ như hỡnh 1. Nguồn ỏp từ bộ chỉnh lưu qua lọc L đưa vào bộ nghịch lưu, tạo ỏp và tần số cấp cho cuộn cảm ứng, ỏp cấp cho cuộn cảm ứng khoảng 50 – 250 V, tuỳ thuộc trường hợp cụ thể. Bộ nghịch lưu làm việc như sau: thời điểm đầu phỏt xung ở bộ phỏt xung FX để mở tiristor T7, dũng qua T7 vào biến ỏp xung BAX nạp tụ C. Qua BAX ỏp cấp cho cuộn cảm ứng CCư. Ở thời điểm sau, phỏt xung mở T8, dũng qua T8 qua BAX đồng thời C phúng điện qua T7 qua T8 làm đúng T7… Thời điểm tiếp theo lại tiếp tục lại từ đầu.
Tần số dũng điện ở cuộn cảm ứng CCư quyết định bởi tần số phỏt xung của bộ FX.
Tần số dũng ở cuộn cảm ứng dựng mạch điện tử cụng suất hiện nay giới hạn trong khoảng 30 KHz. Với tần số đú thớch hợp cho lũ luyện kim. Với lũ nung tụi chi tiết mỏy yờu cầu phải cú tần số tới hàng trăm KHz bởi với mạch điện tử cụng suất khụng đỏp ứng được, người ta thiết kế mạch điện tử tần số cao dựng đốn điện tử. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4. Mỏy phỏt dựng đốn điện tử tần số cao.
Trong phương phỏp cảm ứng tuỳ theo tần số dũng điện trong cuộn cảm ứng cú thể phõn thành:
- Tần số thấp là tần số cụng nghiệp 50 Hz - Tần số trung, khoảng từ 150 – 10000 Hz - Tần số cao khoảng từ 60 KHz – 100 MHz
Với dũng điện cú tần số từ 150 – 500 Hz nhận được từ những mỏy