Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ TÔI THÉP 1.1. Tổng quan về công nghệ lò tôi thép 1.1.1. Khái niệm Lò tôi cảm ứng là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dụa vào hiện tượng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần. 1.1.2. Tính chất công nghệ -Tính chất 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 các chi tiết bằng thép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản thân

Trang 1

THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ BÀI: Đề số 51

Yêu cầu công nghệ Thông số kĩ thuật

Thiết kế bộ nghịch lưu trung tần P=75kW; fra= 50kHz; Ura=400V

Hải phòng, năm 2012

Trang 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LÒ TÔI THÉP

1.1 Tổng quan về công nghệ lò tôi thép

1.1.1 Khái niệm

Lò tôi cảm ứng là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dụa vào hiện tượng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần

1.1.2 Tính chất công nghệ

-Tính chất 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 các chi tiết bằng thép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản thân chi tiết

Xét 1 cuộn dây quấn xung quanh lõi

thép, khi đặt vào 2 đầu của cuộn dây này 1

điện áp xoay chiều hình sin sẽ làm phát

sinh 1 dòng điện có cường độ i đi qua cuộn

cảm:

i = Io.sin(ωt) (1.1)

Trong cuộn cảm xuất hiện 1 suất điện

động tự cảm:

dt di

Trang 3

-Để nghiên cứu quá trình truyền năng lượng điện từ từ nguồn điện vào thanh kim loại người ta sử dụng phương trình Macxoel trong trường điện từ:

rot H = j + ; div H = 0; (1.4)

rot E = - ; div E = 0; (1.5)

Trong đó: B = mH : Độ từ cảm [T]

H : Cường độ từ trường [H]

D = eoE : Điện cảm [C/m2]

E : Cường độ điện trường [V/m]

j = gE = E/r : Mật độ điện dẫn

r = 1/g : Điện trở suất kim loại

g : Điện dẫn suất của kim loạiQua biến đổi ta được năng lượng cung cấp cho kim loại:

Với: : Năng lượng cấp nhiệt cho kim loại (1.7)

: Năng lượng phản kháng (1.8)

Ho : Cường độ từ trường ở bề mặt kim loại

-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 tỏa ra rất lớn, nung bề mặt chi tiết với một tốc độ rất cao Nhiệt lượng được phát sinh chủ yếu do 2 nguyên nhân:

γδ

δ 2 0

2

2e H P

2

2e H i Q

z

−

=

Trang 4

+Xuất hiện dòng Fucô: Đây là các dòng điện khép kín (Có chiều ngược lại 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:

+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:

f

µ ρ

Trang 5

Dưới 700oC: [cm]

Trên 800oC: [cm]

Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f=50kHz, nhiệt độ nung thay đổi từ 20÷100oC thì ρ thay đổi từ 10.10-6 ÷ 130.10-6(Ωm) và μ thay đổi từ 60 ÷ 1(H/m) Khi đó lớp thấm tôi cũng thay đổi δ=0,22 ÷ 6,7(mm) Với công suất tôi là 75kW thì thích hợp cho việc tôi các vật có kích thước vừa và nhỏ khoảng φ20 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 chiều 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 đảm bảo chất lượng lớp tôi với thông số đã xác định là tần số 50kHz cần lựa chọn thời gian nung tức tốc độ 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 nhiệm) giả định rằng công suất riêng, tính cho một đơn vị bề mặt là không đổi Thực tế chúng có thể thay đổi cỡ 30-50%, cho nên ta sẽ phải dùng giá trị trung bình q(W/m2)

1.2 Xác định khoảng thời gian nung

f

2

1 =δ

f

60

2 =δ

Trang 6

1.2.1 Xác định thời gian nung giai đoạn một:

Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng d1 trong giai đoạn này thường nhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt (≈d2) 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:

(1.11)

Trong đó:

J = t-tđ : Nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu tđ [oC]

l : Hệ số dẫn nhiệt của kim loại [W/mK]

a : Hệ số khuếch tán nhiệt (dẫn nhiệt độ) của kim loại [m2/s]

x : Khoảng cách kể từ bề mặt [m]

ϑM q a

2

=

2 2

ϑλπτ

Trang 7

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 lớp tôi bề mặt Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ như sau (với x≤d2):

(1.14)

Trong đó:

JQ= t - tQ : Là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri tQ [oC]

d2 : Chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng [m]

Hàm F(z) tính như sau:

4

2 2

x

q Q

2

12

1

z

erfz z

2 2

τ

δλ

τ

δ λ

δ

δQT q F a

Q

ϑ

Trang 8

trong lớp tôi Cuối cùng thời gian nung tổng thể bằng tổng thời gian nung của giai đoạn một và hai

1.3 Yêu cầu của công nghệ

1.3.1 Yêu cầu của thép được đem tôi

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.1.3.2 Đặc điểm của 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 được ở chế độ không tải

1.3.3 Cấu tạo của thiết bị:

Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng tần số cao từ 500 ÷ 500.000Hz Thiết bị cao tần bao gồm hai bộ phận chính là: nguồn phát tần số vsf cuộn cảm ứng, ngoài ra còn có các bộ phận để làm nguội

-Nguồn phát tần số cao có các loại chính:

+Máy phát tần số trung bình (500÷10.000Hz) dùng chủ yếu để nung sâu hoặc để nấu chảy kim loại

+Máy phát tần số từ 10.000÷20.000Hz dùng chủ yếu để nung các chi tiết có kích thước trung bình với độ sâu thẩm thấu khoảng 0,1÷2mm

+Máy phát tần số cao (200.000÷500.000Hz) dùng bóng bán dẫn để nung lớp mỏng bề mặt

Trang 9

-Cuộn cảm ứng có nhiều loại, tùy thuộc vào hình dáng, kích thước của chi tiết, phương pháp nung như công suất của thiết bị và yêu cầu về năng suất cần đạt.

1.4 Phạm vi ứng dụng

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 khâu trung gian do đó có thể tiến hành tự động hóa sâu và hiệu suất cao Đồng thời, do thời gian nung ngắn nên bề mặt sản phẩm không bị oxi hóa

-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 phức tạp mà các phương pháp khó có thể đáp ứng ví dụ như các trục khuỷu, bánh răng, vấu

-Do có thể tự động hóa 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:

-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 lớn trên φ30) vì lõi không được hóa bền

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 TRÌNH BÀY SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUÁT

Trang 10

Phát xung i u khi n kh i đ ề ể ở động

Chia xungKhu ch ế đạ ửi s a xungVan m ch l cạ ựKhâu ph n h iả ồ

3.2 CHỨC NĂNG CÁC KHÂU TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN

- Khâu tạo xung điều khiển khởi động: khâu này có chức năng tạo ra xung điều khiển lúc khởi động và được tách ra khi đã có xung phản hồi từ mạch lực, lúc mạch đã hoạt động

- Khâu chia xung: khâu này có tác dụng tạo ra xung có tần số phù hợp với yêu cầu của mạch lực bộ nguồn Đồng thời khâu này có chức năng phân xung điều khiển vào từng kênh cho các nhóm van trong mạch lực

- Khâu khuếch đại sửa xung: khâu này nhằm tạo ra xung điều khiển thích hợp với van mạch lực và cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển đảm bảo an toàn cho người điều khiển

- Khâu phản hồi có tác dụng tạo ra xung phản hồi điều khiển mạch (sau khi mạch đã hoạt động) Đồng thời khâu này còn phải thực hiện chặn xung điều khiển từ khâu phát xung khởi động

* Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển

- Đầu tiên, khâu phát xung điều khiển khởi động phát ra xung có tần số fđk, xung này được đưa vào khâu chia xung để tạo ra xung có tần số bằng tần số của nghịch lưu fN Sau đó, xung được phân ra 2 kênh để đi vào điều khiển 2 nhóm

Trang 11

van của mạch lực Xung này có dạng xung vuông chữ nhật, sau khi cho qua mạch vi phân xung ra có dạng xung răng cưa.

- Tiếp theo, xung được đưa vào bộ phận chuyển mạch ( khi chưa có xung phản hồi) rồi khâu khuếch đại tạo xung để tạo ra xung có điện áp phù hợp cấp cho mạch van

- Sau khi, mạch van làm việc, tải bắt đầu hoạt động, có dòng điện tải dạng hình sin ( do thực hiện nghịch lưu cộng hưởng nguồn áp) Dòng điện này ta cho

đi qua biến dòng để tạo tín hiệu áp sau đó cho đi qua mạch so sánh để tạo ra xung có điện áp phù hợp Xung này được xử lý bằng mạch số để tạo tín hiệu chặn xung điều khiển Đồng thời cũng lấy xung này qua các khâu để chỉnh sửa thành xung phù hợp và đưa vào mạch để điều khiển sau đó

* Như vậy, sau khi xung phản hồi xuất hiện, khâu phản hồi thực hiện chức năng của mình là chặn tín hiệu xung điều khiển khởi động và lấy tín hiệu phản hồi về để điều khiển Khi đó mạch sẽ làm việc ổn định ở chế độ cộng hưởng

3.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

* Các thông số cần đạt được của mạch điều khiển:

+ Điện áp điều khiển của Tristor Uđk= 3 V

+ Dòng điện điều khiển Iđk= 100mA

Trang 12

3.3.1 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 đây ta sử dụng mạch tạo dao động dùng Op-Amp là phổ biến hiện nay:

Sơ đồ mạch:

15V

D1 DIODE

+ LM318U1

-15V C1

0.03uF

R 1k

R3 1k

R2 0.86k

R1 1k

Tần số dao động của mạch phù hợp với tần số xung mở Tristor là:

R R

Vì ở đây các điện trở không tham gia vào việc hạn chế dòng điện nên có thể chọn sao cho: T= 2.RC

Do đó ta chọn: R1= 1 kΩ

và R2= 0,86 kΩ

Trang 13

Khi đó: T= 2.RC =

5 k

1.10 ( ) 10( ) 100000

Chọn khuếch đại thuật toán: do yêu cầu tạo ra xung có tần số điều khiển

fđk=20000 Hz nên ta cần phải chọn một IC có tốc độ nhanh Do đó ta chọn IC LM318 IC này chỉ gồm một con trên một vỏ nên rất thích hợp với việc làm mạch tạo dao động:

Vì vậy ta chỉ cần chọn 1 IC cho một mạch tạo dao động duy nhất

+ Nguồn cung cấp : UCC = ±

15V+ Dòng vào IC : Ivao= 10 mA+ Công suất : P = 500 mW+ Nhiệt độ làm việc: t0C = 0 – 70 0CSau mạch tạo dao động ta nắp thêm mạch R-Diode để loại bỏ phần xung âm: ta chọn R3= 1 kΩ

và diode 1N4448 có các thông số sau:

+ Điện áp ngược: Ung=20 V+ Dòng điện max: Imax=100mA

Trang 14

3.3.2 Tính toán khâu chia xung và phân kênh

- Ta sử dụng T-Flip-Flop làm mạch chia xung ( chia 2) và phân kênh

T Flip-Flop được tạo ra từ D-Flip-Flop bằng cách nối đầu ra Q với đầu vào D Xung điều khiển được đưa vào đầu vào xung nhịp C của D Flip-Flop

Flip-Khi đó ta có:

ura= RC.duvao/dt

b, Mạch khuyếch đại:

Trang 15

- Thiết kế máy biến áp xung thực hiện chức năng khuếch đại tạo xung và cách ly điện áp giữa mạch điều khiển và mạch lực.

- Tính toán biến áp xung

o Chọn vật liệu làm lõi sắt: biến áp xung luôn phải làm việc với tần số cao do đó các lõi thép thích hợp với tần số 50Hz (lõi làm từ các lá thép kỹ thuật bình thường) không thể đáp ứng được, mà phải sử dụng lõi sắt ferit Ở đây lõi sắt bị từ hóa một phần

o Tính toán thể tích lõi sắt:

U t I U

trong đó:

+ Kba là hệ số máy biến áp Kba=2

+ U2 là điện áp điều khiển U2= 1,6V

+ I2 là dòng điều khiển I2= 100mA

+ ∆Ux là độ sụt áp cho phép của xung điều khiển ∆Ux= 0,2V

+ tx là độ rộng xung điều khiển, vì xung là đối xứng hay khoảng không có xung bằng khoảng có xung nên ta có:

tx = 2f x

1

=

12.50000

Trang 16

+ Loại lõi sắt 2213

+ Đường kính ngoài 22mm

+ Đường kính trong 13mm

+ Diện tích lõi sắt Slõi = 0,635 cm2

+ Diện tích cửa sổ từ Scửa sổ = 0,297 cm2

Ta cũng tính được các thông số của cuộn sơ cấp máy biến áp như sau:+ Điện áp: U1 = U2.Kba = 1,6.2 = 3,2 V

+ Dòng điện: I1 = I2/Kba = 100/2 = 50 mA

Hình dạng và kích thước lõi sắt như sau:

8

22 13

Trang 17

Tính toán số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp xung:

W1= ba

x

S B

t U

có cấu tạo hoàn toàn tương tự nhau nên ta không cần tính toán thêm nữa Như vậy khâu khuếch đại tạo xung có cấu tạo như sau:

Từ đó ta chọn bóng T1 là: ZTX300 có các thông số sau:

Trang 18

+ Ic max = 0,5 (A) = 500 (mA)+ Uce max =25 V

+ β min = 50+ Pc max = 0,3 (W)

o Dòng qua bóng T2 chính là dòng qua bazo T1 và bằng:

o Vì độ rộng xung điều khiển nhỏ hơn nhiều chu kỳ phát xung nên công suất phát nhiệt trên van không đáng kể và không phải quan tâm đến vấn đề này khi tính toán Điện trở R1 chọn từ điều kiện mở bão hòa tốt cho T1, T2 đồng thời không gây quá tải cho tầng trước của khuếch đại xung:

I s

E R

2 1 1 max

+ Uvmax là điện áp lớn nhất van chịu được: Uvmax = 25 V

+ Ivmax là dòng điện lớn nhất van chịu được: Ivmax = 0,5 A

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	217,41 KB