3.1 Các bộ biến tần
Hiện nay, trong các thiết bị gia nhệt bằng dòng điện cao tần, nguồn cao tần (các bộ biến tần) có thể là máy điện quay, đèn phát điện tử hay biến tần dùng thyristor.
3.1.1 Máy phát điện tần số cao
Đã được chế tạo ở dãy công suất 0.5 ÷ 1500kW và ở dãy tần số 500 ÷ 8000 Hz
Đối với tần số dưới 500 Hz, người ta dùng máy phát đồng bộ cực lồi có số cặp cực lớn và số vòng quay cao vì: f = 60 np , [Hz] (5) Trong đó: p – số cặp cực n – tốc độ quay rotor, vg/ph
Đối với tần số cao hơn, chế tạo các máy phát như trên sẽ gặp nhiều khó khăn vì số cặp cực tăng làm tăng kích thước máy và việc tăng tốc độ quay cũng bị hạn chế do độ bền cơ khí ...Vì vậy ở tần số trên 500 Hz người ta dùng máy phát cảm ứng có từ trường đập mạch theo thời gian (máy phát sóng điều hòa răng)
Hình 30: Mạch từ (a), và rotor (b) của máy phát cảm ứng có từ trường đập mạch Hình 30 biểu thị hệ từ của máy này. Cuộn kích từ (CKT) phân bố trên stator. Cuộn làm việc (CLV) (cuộn ứng) cũng phân bố trên stator. Rotor không có cuộn dây và có dạng bánh răng. Khi rotor quay, các rãnh răng 1 và rãnh răng 2 lần lượt qua trước các rãnh của stator có đặt cuộn kích từ. Kết quả là tự thông do cuộn kích từ tạo ra có từ trường đập mạch, lúc mạnh,
Trang bị điện
lúc yếu. Từ thông này cắt cuộn dây làm việc làm xuất hiện trong cuộn làm việc suất điện động cảm ứng. Một chu kỳ thay đổi suất điện động trong bối dây phần ứng (CLV) ứng với rotor quay qua một bước răng, nên số cặp cực p tương ứng với số răng tương ứng z2 của rotor. Từ đó tần số dòng của máy phát ra sẽ là:
f = 60 2 nZ = 28 , 6 2 Z ω , [Hz] trong đó : ω- tần số góc ,(rad/s)
Từ thông trong các răng của rotor không bị thay đổi theo thời gian nên hầu như không có dòng xoáy Foucault trong rotor. Do vậy, rotor có thể đúc liền hoặc ghép từ các lá thép mỏng ghép lại. Còn ở hai rãnh stator , từ thông là đập mạch nên gây tổn thất trong lõi thép nên stator được ghép lại từ các lá thép mỏng.
Việc làm mát máy phát có thể bằng quạt khí qua các rãnh gần vùng răng hoặc làm mát bằng nước khi máy có công suất lớn.
Kéo máy phát công suất lớn ( trên 100kW) động cơ đồng bộ. Máy phát công suất nhỏ hơn dùng động cơ không đồng bộ. Động cơ kéo và máy phát có thể được ghép chung tạo thành một thể thống nhất biến đổi tần số. Các bộ biến tần có công suất trên 100kW thường có trục đặt thẳng đứng để giảm diện tích lắp đặt.
Để tối ưu hóa quá trình công nghệ gia nhiệt, việc điều chỉnh tự động dòng kích từ máy phát là rất quan trọng, nhằm ổn định điện áp phát ra cấp cho lò cảm ứng hoặc nhằm điều chỉnh điện áp theo trị số mong muốn (không dùng biến áp lò). Hoàn thiện nhất hiện nay là dùng bộ biến đổi kích từ bằng Thyristor, đảm bảo chính xác ổn áp ± 1% với dãy điện áp kích từ (0 ÷ 180 V). Sơ đồ lừc của bộ kích từ là cầu (3 pha) không đối xứng. Tạo xung điều khiển bằng các phần tử logic.
Hình 31: Sơ đồ khối thiết bị gia nhiệt dùng máy phát
Ưu điểm chính của các bộ biến tần bằng máy phát là đơn giản về cấu trúc, độ tin cậy cao, dể sử dụng, có thể làm việc song song các máy phát, vốn thấp nhất là khi công suất lớn.
Trang bị điện
Thiếu sót của các bộ biến tần là có phần tử quay, khó sữa chữa, diện tích lắp đặt lớn, làm việc ồn, hiệu suất thấp khi tải nhỏ, bôi trơn và làm lạnh phức tạp, không thay đổi được tần số.
Hướng hoàn thiện của các bộ biến tần máy điện là sử dụng các vật liệu tốt để nâng cao hiệu suất đến 85%.
Sơ đồ khối của thiết bị nhiệt bằng tần số dùng máy phát điện quay ở hình 31, trong đó máy phát dòng điện cao tần F(f) cấp cho vòng cảm ứng qua máy biến áp phối hợp biến áp( để thay đổi điện áp phù hợp với dòng cảm ứng). Bộ tụ C để bù cosϕ.1. Máy cấp cho
hai vòng cảm ứng 1CƯ và 2CƯ làm việc luân phiên để tận dụng công suất. (một vòng nấu luyện thì vòng kia lấy sản phẩm chuẩn bị cho mẻ sau…)
3.1.2 đèn phát tần số
Dùng trong thiết bị gia nhiệt bằng tần số thường là đèn 3 cực chân không. Tần số phát từ vài chục kHz đến hàng trăm MHz.
Đèn được làm mát bằng không khí (công suất vài kW) hay bằng nước (công suất lớn hơn, tới ngoài 100kW)
Khi làm việc, nhiệt độ catôt tăng từ nhiệt độ môi trường tới hơn 20000C và, điện trở của nó tăng tới 10 lần. Do đó, khi bắt đầu làm việc không được cấp ngay điện áp định mức vì dòng catôt sẽ quá lớn gây hỏng đèn mà phải qua nhiều nấc tăng dần. Lúc làm việc cũng cần ổn định điện áp sợi đốt vì tăng điện áp 1% sẽ làm giảm tuổi thọ đèn 10%.
Khuyết điểm quan trọng của đèn phát là hiệu suất thấp và tuổi thọ nhỏ. Sợi đốt của đèn tiêu thụ từ 8 ÷30% công suất đèn.
Các đèn công suất dưới 200kW thường kín và hút chân không khi chế tạo. Các đèn có công suất lớn hơn, đến 500kW thường hở. Có thể thay thế các bộ phận bên trong đèn lúc hư hỏng. Khi đèn làm việc đèn mới được hút chân không.
Mạch điện của đèn phát phức tạp. Năng lượng từ lưới phải qua nhiều khâu mới tới vật gia nhiệt. Do vậy hiệu suất thiết bị thấp.
Sơ đồ khối của thiết bị gía nhiệt dùng đèn phát như hình 32. Điện áp lưới qua máy tăng áp BA đưa lên 6 hay 10 kV rồi được nắn thành dòng một chiều nhờ chỉnh lưu cao áp để cấp cho đèn phát. Đèn phát dòng cao tần cấp cho vòng cảm ứng. Mạch khống chế khí cụ để đóng cắt và điều chỉnh điện áp chỉnh lưu. Mạch phản hồi FH về lưới đèn phát nhằm ổn định tần số phát và điều chỉnh chế độ gia nhiệt khi các thông số tải thay đổi cũng như đảm bảo hiệu suất đèn cao.
Trang bị điện
Hình 32: Sơ đồ khối thiết bị gia nhiệt dùng đèn phát
3.1.3 Biến tần Thyristor
Phổ biến nhất gồm hai khâu cơ bản: chỉnh lưu có điều khiển CL và nghịch lưu độc lập NL (hình 33)
Khi thyristor 1T thông, tụ C được nạp đến điện áp 2U. Như sơ đồ thì bản cực bên trái có cực tính (+). Lúc thyristor 2T thông thì tụ C phóng điện qua cả hai thyristor. Dòng qua 1T ngược chiều với dòng phóng của tụ C sẽ nhanh chóng giảm về 0 và 1T khóa. Dòng qua 2T cùng chiều với dòng phóng của tụ C sẽ nhanh chóng tăng tới trị số định mức, nạp điện cho tụ C với cực tính ngược lại. Khối phát xung FX cung cấp xung điều khiển1T, 2T lệch pha nhau 1800. Khi đó cuộn sơ cấp biến áp 2BA có dóng xoay chiều có tần số của các xung mở các thyristor. Cuộn thứ cấp sẽ cảm ứng dòng cùng tần số, cấp cho vòng cảm ứng.
Tóm lại với sơ đồ này tần số công nghiệp được chỉnh lưu và được biến đổi thành dòng cao tần.
Công suất các bộ nghịch lưu thyristor có thể lên tới 12.000kW, hiệu suất 0.9 ÷ 0.95, điện áp tới 1000V, tần số tới 10kHz.
Vì việc khóa thyristor cần thời gian 12 ÷ 25 µs nên tần số của các bộ nghịch lưu
giới hạn là 10 ÷ 12 kHz.
Hình 33:Sơ đồ bộ biến tần Thyristor
3.2 vòng cảm ứng
Trang bị điện
Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷ 30% công suất hữu ích của thiết bị. Do vậy cần làm mát dòng cảm ứng.
Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5A/mm2. Làm mát bằng nước chảy trong vòng cảm ứng rỗng tiết diện tròn, ô van hay chữ nhật cho phép mật độ dòng điện tới 50 ÷ 70 mm2 . Dây dẫn làm vòng cảm ứng có thể rỗng vì dòng cao tần chỉ phân bố phía ngoài dây. Trong giải tần số radio, thường dùng ống dày 0.1 ÷ 0.5mm.
3.3 Tụ điện
Tụ điện dùng một trong các sơ đồ thiết bị gia nhiệt tần số nhằm làm giảm chức năng phân li dòng điện một chiều hoặc bù cosϕ.
Các tụ này phải là các tụ chịu điện áp cao (tới 1000V) và chịu tần số cao (tới 10kHz) tùy theo thiết bị gia nhiệt.
3.4 Các côngtắctơ
Trong thiết bị gia nhiệt cao tần, các côngtắctơ được sử dụng là côngtắctơ cao tần hai cực chịu diện áp 1600V và tần số từ 500 ÷ 10.000Hz. 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 nằm trong buồng dập hồ quang và có lưới, có cuộn dây phụ để thổi từ trường. Mỗi cặp tiếp điểm được nối song song nhau. Khi đóng mạch tiếp điểm dập hồ quang đóng trước rồi đến tiếp điểm chính. Khi ngắt mạch thì ngược lại:tiếp điểm chính mở trước rồi đén tiếp điểm dập hồ quang.
3.5 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 rỗng có nước làm mát, cáp đồng trục cao tần hay cáp một ruột, nhiều ruột thông thường.
Cáp đồng trục có trở kháng và cảm kháng nhỏ so với các loại dây dẫn khác nhưng nó có cấu tạo phức tạp và tốn vật liệu hơn.
Hiện nay, đã có những cáp lực cao tần đặc biệt chiu dònh tới 500A, tần số 10kHz và điện áp tới 2 kV.