Các bộ nguồn tần số dùng trong lò cảm ứng

2.5. Trang bị điện - điện tử lò cảm ứng

2.5.2. Các bộ nguồn tần số dùng trong lò cảm ứng

Các lò cảm ứng cần cấp nguồn có tần số nào đó, thường là ở tần số cao. Ở đây ta xét một số loại nguồn tần số thường dùng.

Máy phát điện đồng bộ bình thường phát ra dòng điện có tần số 50Hz cấp lên lưới điện (ở Mỹ là tần số 60 Hz). Tần số máy phát xác định bởi biểu thức:

60.n

f  p (Hz) (2.25)

trong đó: p là số đôi cực từ của máy phát;

n là tốc độ quay phần ứng.

Khi cần tần số cao ta cần phải tăng số đôi cực từ ở phần cảm hoặc phải tăng tốc độ n, hoặc tăng cả hai p và n. Các biện pháp này đều bị giới hạn vì tăng p sẽ dẫn đến tăng kích thước máy, tăng n sẽ phải tăng mạnh độ bền cơ khí của máy phát.

Vì vậy ở tần số trên 500 Hz, người ta dùng máy phát cảm ứng có từ trường đập mạch theo thời gian gọi là máy phát sóng điều hoà răng. Máy phát sóng điều hoà răng có cuộn kích từ CKT phân bố trong các rãnh stato, cuộn làm việc CLV (cuộn ứng) cũng phân bố trong các rãnh stato. Rôto không có cuộn dây nào và có dạng bánh răng. Khi rôto quay các đỉnh răng và rãnh răng của rôto lần lượt chạy qua các rãnh stato có đặt các cuộn dây kích từ CKT. Do vậy từ trường tạo ra bởi cuộn kích từ khép kín qua rôto với khe hở không khí stato - rôto lúc lớn (tại ránh răng), lúc nhỏ (tại đỉnh răng) và có đặc tính đập mạch. Từ trường này quét qua các dây dẫn cuộn làm việc CLV và làm cho cuộn làm việc xuất hiện sức điện động cảm ứng có tần số bằng số cặp đỉnh răng - rãnh răng chạy qua. kết quả số đôi cực từ p tương ứng với số răng Z2 của rôto đã tăng rất nhiều. Từ đó tần số của máy phát là:

60.Z

f  n 2 (Hz) (2.26)

Từ thông trong các răng rôto không bị thay đổi theo thời gian nên hầu như trong rôto không có dòng điện xoáy. Vì thế rôto có thể hoặc ghép từ các lá thép mỏng, hoặc đúc liền. Còn ở stato, từ thông là đập mạch nên có tổn hao thép và vì thế stato phải được ghép từ những lá thép mỏng.

Việc làm mát bằng nước được ứng dụng ở những máy phát công suất lớn, làm mát bằng quạt ở những máy phát công suất nhỏ.

Động cơ sơ cấp kéo máy phát có thể là động cơ đồng bộ (khi công suất trên 100 kW) hoặc động cơ không đồng bộ (khi công suất nhỏ hơn).

Các máy phát tần số hiện dùng có tần số không quá 10 kHz, hiệu suất tới (70

 80)%. Vì máy phát được chế tạo với điện áp nhất định nên khi gia nhiệt với điện áp khác, thường cần có máy biến áp phối hợp.

Để tối ưu hoá quá trình gia nhiệt, việc điều chỉnh tự động dòng kích từ máy phát là rất quan trọng nhằm ổn định điện áp cấp cho lò cảm ứng hoặc điều chỉnh trị số điện áp cấp cho lò (khi không dùng biến áp lò). Các bộ kích từ dùng tiristor cho độ chính xác ổn áp 1% với dải điện áp từ 0  180V.

Máy phát tần số cao có cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao, dễ sử dụng nhưng vì có phần quay nên sửa chữa phức tạp, làm việc ồn, hiệu suất thấp khi tải nhỏ, không thay đổi được tần số..

Hình 2.25 là sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt dùng máy phát.

Máy phát FT cấp điện cho lò qua máy biến áp BA. Có hai lò cảm ứng làm việc luân phiên để tận dụng công suất máy phát (một lò nấu luyện thì lò kia sấy sản phẩm, chuẩn bị mẻ sau...). Vì lò cảm ứng có hệ số công suất thấp (do có nhiều cuộn dây, vòng dây) nên sơ đồ có bộ tụ bù C để nâng cao hệ số công suất.

2. Đèn phát điện tử

Đèn phát điện tử dùng trong thiết bị gia nhiệt thường là đèn ba cực chân không có sơ đồ như hình 2.26. Tần số phát từ vài chục kHz đến hàng trăm MHz.

Đèn là một bình chân không (bằng thuỷ tinh hay kim loại) và có ba cực chính (hình 2.26a).

- Cực anốt A: cực thu điện tử

- Cực catôt C: cực phát điện tử. Để điện tử bứt ra khỏi kim loại catôt, cần phải cấp cho nó năng lượng nhiệt (bằng công thoát ra khỏ kim loại). Việc cấp năng lượng này có thể trực tiếp (nhờ đốt trực tiếp catôt bởi một điện áp Un gọi là điện áp nung), có thể đốt gián tiếp (catôt đặt gần sát cuộn nung) (hình 2.26b).

- Cực lưới G:là lưới ôm sát catôt.

Nguyên lý làm việc của đèn ba cực như sau: Khi phân áp thuận (A nối dương, C nối âm) thì điện tử bứt ra khỏi C sẽ chuyển động từ C về A do tác dụng của điện trường giữa hai cực A và C. Nếu điện thế của cực G dương hơn cực C và do đặt gần cực C thì cực G có tác dụng thu hút điện tử chuyển về cực A mạnh (hình 2.26c). Nếu điện thế của cực G âm hơn cực C thì cực G có tác dụng ngăn cản chuyển động của điện tử về cực A (hình 2.26d). Như vậy tuỳ thế cực G so với cực C dương nhiều hay dương ít hoặc âm mà dòng anốt (từ A về C) có thể lớn nhỏ hoặc bằng không. Điện thế đặt vào lưới G có tác dụng điều khiển dòng anốt A - C tương tự một tiristor.

FT BA

C

Lò 1 Lò 2

Hình 2.25. Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt dùng máy phát

Nếu lưới G nối với cực catốt C thì điện thế hai cực như nhau. Đèn ba cực làm việc như một điôt (hình 2.26e). Trường hợp này có thể dùng đèn hai cực (chỉ có A và C mà không có G) (hình 2.26f).

Khi làm việc, nhiệt độ catôt tăng từ nhiệt độ môi trường tới hơn 20000C và điện trở của catôt tăng tới 10 lần. Do đó để tránh dòng quá lớn lúc bắt đầu làm việc, không được cấp ngang điện áp nung định mức mà phải qua nhiều cấp.

Đèn phát tần số có hiệu suất thấp (không qua 60%) vì qua nhiều khâu biến đổi, tuổi thọ thấp và tổn hao nhiệt lớn.

Các đèn có công suất dưới 200 kW thường kín và hút chân không tại nơi chế tạo. Các đèn công suất lớn hơn vầ để tiện thay thế các chi tiết trong đèn nhằm tiết kiệm chi phí hỏng hóc, thường hở và có nắp. Đèn được hút chân không sau khi thay thế các chi tiết hỏng.

Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt tần số như trên hình 2.27. Điện áp lưới qua máy biến áp tăng tới 5 đến 10 kV được chỉnh lưu thành dòng một chiều qua khâu chỉnh lưu CL để cấp cho mạch đèn phát ĐF. Đèn phát dòng cao tần cấp cho lò. Điều chỉnh CL qua bộ khống chế KC. Để ổn định tần số phát của đèn ĐF và điều chỉnh chế độ gia nhiệt khi tải thay đổi và đảm bảo hiệu suất cao, mạch đèn ĐF có khâu phản hồi FH.

Un C

G A

Un C

G A

C G + A +

-

C A +

- G

A +

C G

A +

C

a) b) c)

g) f) h)

Hình 2.26. Đèn ba cực chân không

3. Biến tần tiristor

Sơ đồ phổ biến gồm hai khâu cơ bản (hình 2.28) là: chỉnh lưu có điều khiển CL và nghịch lưu độc lập NL.

Khi tiristor 1T thông do được cấp xung mở từ bộ phát xung FX thì tụ C được nạp tới điện áp 2U do sơ cấp biến áp 2BA là hai cuộn dây nối tiếp. Khi tiristor 2T được cấp xung thì 2T thông và tụ C phóng điện qua cả 1T và 2T. Dòng phóng của tụ C với điện áp 2U qua tụ C sẽ át dòng dẫn của nguồn CL (điện áp U) và làm dòng qua 1T bởi nguồn sẽ nhanh chóng giảm về 0 và 1T khoá. Dòng phóng tụ C qua 2T cùng chiều với dòng tạo bởi nguồn CL nên dòng qua 2T nhanh chóng đạt trị số định mức (thời gian thông ngắn). Tụ C được nạp ngược lại tới điện áp 2U. Quá trình tiếp tục khi phát xung mở cho 1T.

CL ĐF Lò

ĐF Đặt ĐF

BA



Hình 2.27. Sơ đồ khối thiết bị gia nhiệt dùng đèn phát tần số cao

FX U C

1T 2T

2BA Lò 1BA

CL

NL

Hình 2.28. Sơ đồ đơn giản bộ biến tần tiristor một pha

Khối FX sẽ cấp xung mở 1T, 2T lệch pha nhau 1800. Cuộn sơ cấp 2BA sẽ có dòng liên tục đảo chiều với tần số bằng tần số của các xung mở thiristor. Cuộn thứ cấp 2BA sẽ cảm ứng dòng cùng tần số, cấp cho lò cảm ứng.

Như vậy bộ biến tần thiristor biến dòng điện tần số công nghiệp 50 Hz ở đầu vào qua khâu chỉnh lưu và nghịch lưu thành dòng điện tần số cao hơn ở đầu ra. Tần số ra quyết định bởi tần số phát xung của bộ FX. Công suất các bộ nghịch lưu tiristor hiện nay có thể đạt tới một, hai trăm kW, hiệu suất cao tới 95%, điện áp hơn 1000 V, tần số đạt tới 10 kHz. Tần số ra bị hạn chế là do việc khoá tiristor cần thời gian (12  25 ) s và thời gian thông cũng tương tự nghĩa là một chu kì thông - khoá tiristor cần không dưới 50 s nên tần số không vượt quá 20.000 Hz.