V.1 KHÁI NIEƠM VEĂ NUNG NÓNG BAỈNG TAĂN SÔ:
1. Nguyeđn lý nung nóng baỉng taăn sô:
Khi vaơt chât được đaịt vào trong trường đieơn từ táo ra bởi dòng đieơn xoay chieău có cường đoơ đụ lớn, các hát vaơt chât sẽ có chuyeơn đoơng, tương ứng với sự gia taíng nhieơt đoơ: ta có nguyeđn lý nung nóng baỉng taăn sô hay gia nhieơt cao taăn. Với các taăn sô khác nhau, ta nung nóng được những vaơt lieơu khác nhau:
- Nung nóng baỉng dòng đieơn cạm ứng: Khi đaịt vaơt dăn đieơn (thường là kim lối) vào từ trường xoay chieău, beđn trong vaơt lieơu sẽ xuât hieơn sđđ táo ra dòng đieơn gĩi là dòng cạm ứng (dòng đieơn Foucault hay dòng xoáy – eddy current). Sự nung nóng do dòng đieơn này được gĩi là nung nóng baỉng dòng cạm ứng hay gia nhieơt cạm ứng. Đađy chính là lý do mà lõi thép biên áp phại ghép lái baỉng những lá tođn có beă maịt sơn cách đieơn và biên áp taăn sô cao sử dúng lõi baỉng ferrite. Toơn hao do dòng cạm ứng taíng theo bình phương taăn sô dòng đieơn do đó dòng đieơn sử dúng cho nung nóng cạm ứng thường có taăn sô cao. Nung nóng cạm ứng có theơ dùng đeơ nung nóng hay nâu luyeơn kim lối. Đeơ ý là khi khôi lượng vaơt lieơu lớn, ta có theơ sử dúng taăn sô cođng nghieơp chứ khođng nhât thiêt phại dùng taăn sô cao.
Do sự tương tác giữa các lớp dòng đieơn cạm ứng, maơt đoơ dòng đieơn cạm ứng phađn bô khođng đeău: taíng daăn từ trong ra ngoài. Khi taăn sô dòng đieơn đụ lớn, sự phađn bô này rât khođng đeău: dòng cạm ứng chụ yêu taơp trung ở beă maịt và ta có hieơu ứng da (skin effect), được ứng dúng đeơ tođi kim lối. Đađy làmoơt phương pháp taíng cơ tính các chi tiêt baỉng saĩt thép. Chi tiêt caăn tođi sau khi được nung nóng beă maịt được làm nguoơi thaơt nhanh. Kêt quạ là beă maịt chi tiêt được biên cứng trong khi beđn trong văn khođng thay đoơi cơ tính, tính naíng hốt đoơng được nađng cao.
- Nung nóng đieơn mođi: Ứng dúng hieơn tượng toơn hao đieơn mođi cụa vaơt lieơu cách đieơn hay dăn đieơn kém khi được đaịt trong đieơn trường taăn sô rât cao từ vài traím đên hàng MHz. Đôi tượng cho nung nóng đieơn mođi có theơ là vaơt lieơu nhựa hay thực phaơm.
Ưu đieơm cụa nung nóng taăn sô:
- Hieơu suât rât cao do nhieơt phát ra từ beđn trong vaơt được nung.
- Maơt đoơ naíng lượng rât cao neđn thời gian nung nhanh, vaơt lieơu khođng đoơi tính chât, cho phép thực hieơn các cođng ngheơ đaịc bieơt.
- Khođng có mođi chât cho trao đoơi nhieơt neđn có theơ gia cođng với đoơ tinh khiêt cao... Nhược đieơm duy nhât là caăn boơ nguoăn taăn sô luođn đaĩt tieăn.
Trong chương này, ta chư tìm hieơu các boơ nguoăn sử dúng ngaĩt đieơn bán dăn, có theơ làm vieơc đên MHz và thường được ứng dúng cho nung nóng cạm ứng.
2. Các quan heơ cụa nung nóng cạm ứng: [tài lieơu http://www.thermonics.co.jp/e-side.htm]
- Chieău sađu thâm P được định nghĩa là đoơ sađu tính từ beă maịt đeơ maơt đoơ dòng đieơn giạm 36.8% so với giá trị tređn beă maịt, ρ: đieơn trở suât , μ: heơ sô từ thaơm tương đôi.
310 10 5.03 2 P f f ρ ρ μ π μ ⋅ = = ⋅ ⋅ . <V.1.1>
Từ P, ta chĩn được taăn sô cụa boơ nguoăn cao taăn tùý thuoơc vào vaơt lieơu và cođng ngheơ gia cođng là nung nóng, nâu chạy hay tođi beă maịt. Bạng sau cho ta các thođng sô cho cođng ngheơ tođi beă maịt dùng dòng đieơn cạm ứng.
Tođi cao taăn
Chieău sađu (mm) Đường kính vaơt (mm) Taăn sô (kHz) Cođng suât (kw) 0.5~1.0 6~25 400,200 15,30 11~16 400,200,30 80 16~25 400,200,30,10 80,50 25~50 200,30,10 50,80 1.2~2.5 > 50 30,10 80 19~25 30,10 80,150 25~100 3,10 80,150 2.5~5.0 > 100 3,10 150,300
Bạng V.1 Các quan heơ khi tođi beă maịt thép.
Với thép, vaơt lieơu mât từ tính ởû 800 O tương ứng μ = 1, ta có khi đó:
503
( )
P mm
f
= <V.1.2>
và nêu chĩn đường kính vaơt baỉng 3.5 laăn chieău sađu thâm tođi, ta có bạng tra taăn sô tôi thieơu cho thiêt bị nâu cạm ứng:
Taăn sô f kHz Đường kính D mm 300 3.2 100 5.5 20 12.4 10 17.5 5 24.7 3 32 1 55
Bạng V.2 Taăn sô tôi thieơu khi nung nóng cạm ứng thép
Hình V.1.1 cho ta chieău sađu thâm với các vaơt lieơu khác nhau, ở các nhieơt đoơ làm vieơc. 3. Các boơ nguoăn cho nung nóng cạm ứng:
Phú thuoơc và taăn sô làm vieơc, có theơ phađn ra làm các nhóm sau:
1. Nguoăn taăn sô lưới: Sử dúng cho nâu kim lối khi khôi lượng tương ứng với cođng suât đụ lớn. Ta có theơ hình dung đađy là moơt biên áp (thường có lõi thép) trong đó sơ câp nôi lưới đieơn, thứ câp là khôi kim lối caăn nung chạy, táo thành moơt vòng ngaĩn mách.
.
Hình V.1.1: Quan heơ chieău sađu thaẫm theo taăn sô với các kim lối khác nhau
2 Boơ nguoăn dùng SCR: sử dúng khi taăn sô < 25 KHz. Có theơ sử dúng boơ nghịch lưu nôi tiêp hay song song, có hay khođng qua trung gian moơt chieău.
3. Boơ nguoăn dùng transistor: Phát trieơn trong thời gian gaăn đađy, khi cac transistor dòng lớn, áp cao được chê táo. Làm vieơc ở taăn sô đên MHz (thođng thường là vài traím KHz).
4.Boơ nguoăn dùng đèn đieơn tử: Làm vieơc ở taăn sô từ 50 KHz đên hàng MHz hay GHz, dùng cho nung nóng cạm ứng và đieơn mođi. Mách đieơn có dáng mách dao đoơng ba đieơm LC (Harley hay Colpitt) phađn cực lớp C ở taăn sô đên MHz hay dùng các đèn đaịc bieơt ở taăn sô sieđu cao.
Đaịc trưng quan trĩng cụa thiêt bị nung nóng cạm ứng là là heơ sô cođng suât cụa tại rât thâp khoạng 0.1 vì là cuoơn dađy khođng lõi thép. Đeơ giạm dòng qua các ngaĩt đieơn, caăn maĩc tú đieơn song song đeơ taíng heơ sô cođng suât neđn tại luođn là mách coơng hưởng LCR.
Như vaơy, ta có theơ thây là các boơ nguoăn dùng SCR có theơ được dùng đeơ nung nóng hay nâu chạy kim lối ở cođng suât lớn vì hốt đoơng chụ yêu ở taăn sô thâp. Đeơ tođi cao taăn hay nâu luyeơn kim lối ở sô lượng nhỏ, ta có theơ sử dúng mách dao đoơng dùng đèn đieơn tử đeơ hĩat đoơng ở taăn sô cao hơn. Các boơ nguoăn dùng transistor có theơ thay thê đèn đieơn tử veă nguyeđn taĩc, đã và đang được phát trieơn. Trong chương này ta chư nghieđn cứu các boơ nguoăn dùng cho nung nóng cạm ứng.
V.2 BOƠ NGUOĂN TAĂN SÔ CAO DÙNG SCR: 1. Nghịch lưu song song và nôi tiêp: 1. Nghịch lưu song song và nôi tiêp:
Là các dáng nghịch lưu sử dúng SCR làm phaăn tử đóng ngaĩt, có tú đieơn ở mách tại đeơ đạm bạo chuyeơn mách. Trong mách đieơn goăm R tại, tự cạm L và đieơn dung C táo thành mách coơng hưởng LCR, làm cho dòng qua SCR có theơ veă zero và taĩt. Hình V.2.1 bao goăm hai mách nghịch lưu song song: (a) là sơ đoă caău, (b) là sơ đoă ghép biên áp; và (c) là nghịch lưu nôi tiêp.
V Vo V V C L R SCR1 SCR2 L1 L2 + _ + _ SCR1 SCR2 R SCR3 SCR4 C T SCR1 SCR2 C L + _ (a) (b) ( c) Hình V.2.1: Nghịch lưu song song (a) và (b), nôi tiêp (c).
a. Nghịch lưu song song: Khạo sát sơ đoă caău V.2.1.a.
Dáng sóng các phaăn tử tređn sơ đoă V.2.1.a được vẽ tređn hình V.2.2.b. Các SCR 1 và SCR 4 có cùng dáng xung kích, SCR 2 và SCR3 được kích cùng lúc. Khi SCR 1 và SCR 4 dăn đieơn, tú đieơn C được náp đên đieơn áp có cực tính như tređn hình vẽ. Đieơn áp này sẽ đaịt đieơn áp ađm và làm taĩt SCR 1 và
SCR 4 khi SCR2 và SCR3 được kích. Tự cạm L ở đaău vào cách ly nguoăn và caău chưnh lưu, làm cho dòng đieơn cung câp vào caău chưnh lưu khođng thay đoơi tức thời, tránh khạ naíng chaơp mách tám thời qua SCR 1 và SCR 2 (hay SCR 3 và SCR 4) khi các SCR chuyeơn mách. b. Nghịch lưu nôi tiêp: (a) (b)
Hình V.2.2: Dáng áp, dòng cụa NL nôi tiêp (a) và song song (b)
Mách đieơn hình V.2.1.c là dáng đơn giạn nhaẫt trong nhóm mách nghịch lưu nôi tiêp, có mách tương đương là LCR nôi tiêp khi SCR dăn đieơn. Ví dú như khi SCR 1 được kích, dòng qua mách sẽ veă khođng khi áp tređn tú đieơn đát giá trị cực đái (có dâu như tređn mách đieơn) và SCR sẽ tự taĩt. Vì thê mách còn gĩi là nghịch lưu chuyeơn mách tại. Khi SCR 2 được kích, tú đieơn sẽ phóng qua nó và dòng veă khođng khi áp tređn tú đieơn đạo cực tính, chuaơn bị cho chu kỳ kê tiêp – dáng sóng hình V.2.2.a.
Hai mách nghịch lưu này được dùng làm boơ nguoăn trung hay cao taăn (nhóm thứ 3 trong phaăn giới thieơu ở đaău chương). Và như vaơy, ngoài nhieơm vú taĩt (chuyeơn mách) SCR, các tú đieơn trong hai nghịch lưu này còn có nhieơm vú cại thieơn heơ sô cođng suât cụa tại, giạm dòng qua các ngaĩt đieơn.
Trong thời gian gaăn đađy, các transistor được dùng thay cho SCR và nhu caău chuyeơn mách trở neđn khođng caăn thiêt, tuy nhieđn vieơc khạo sát nghịch lưu coơng hưởng văn có giá trị, và ta có khạ naíng chuyeơn mách transistor khi áp đaịt vào nó baỉng khođng: taíng đoơ tin caơy và hieơu suât cụa heơ thông.