điện tử công suất.thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng trung tần từ 500 – 100.000 hz

Tính chất công nghệ: 1.3.1 Tính chất tải của lò cao tần là tải cảm: Lò tôi cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, gồm cácthép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn

Chương 1:Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật

- Có thể truyền nhiệt lượng cho vật cần tôi một cách trực tiếp, nhanhchóng không cần qua khâu trung gian do đó có thể tiến hành tự động hoá sâu

và hiệu suất cao Đồng thời, do thời gian nung ngắn nên bề mặt sản phẩmkhông bị oxihoá

- Có thể tiến hành gia nhiệt trong các môi trường khác nhau như môitrường trung tính, chân không một cách dễ dàng

- Do đặc điểm của phương pháp mà chi tiết đem tôi có độ cứng bề mặt cầnthiết trong khi vẫn giữ được độ dẻo thích hợp trong lõi đảm bảo được cácyêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với chi tiết đem tôi Mặt khác, lò tôi cảm ứng cóthể tôi được các chi tiết có hình dạng phức tạp mà các phương pháp khó cóthể đáp ứng ví dụ như các trục khuỷu, bánh răng, vấu

- Do có thể tự động hoá sâu mà năng suất lao động được nâng lên, điềukiện lao động cũng được cải thiện

1.2.2 Nhược điểm

- Chủ yếu dùng cho những chi tiết có cùng tiết diện hay tiết diện thay đổikhông đáng kể Với những chi tiết phức tạp, khó đạt tổ chức mactenxit đồngnhất, 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 độnặng nề nhất ( đặc biệt chi tiết lớn trên f30) vì lõi không được hoá bền

1.3 Tính chất công nghệ:

1.3.1 Tính chất tải của lò cao tần là tải cảm:

Lò tôi cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, gồm cácthép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chínhbản thân chi tiết

Xét một cuộn dây quấn xung

quanh lõi thép, khi đặt vào 2 đầu của

cuộn dây này một điện áp xoay chiều

hình sine sẽ làm phát sinh một dòng điện

có cường độ i đi qua cuộn cảm:

Như vậy hiệu điện thế ở hai đầu cuộn cảm (không có điện trở) biến thiênđiều hoà cùng tần số góc với dòng điện qua cuộn cảm và sớm pha hơn dòngđiện /2.

1.3.2 Quá trình truyền năng lượng trong lò.

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

rot H = j + ; div H =0;

rot E = - ; div E=0;

trong đó: B=mH : độ từ cảm,[T]; H – cường độ từ trường, [H]

D=e0E : điện cảm,[C/ m2]; E – cường độ điện trường, [V/m]

j =γE = E/р - mật độ điện dẫn

r=1/γ- điện trở suất của kim loại

γ- điện dẫn suất của kim loại

Qua biến đổi ta được năng lượng cung cấp cho kim loại:

năng lượng phản kháng:

trong đó δ - bề dày thẩm thấu

H0 – cường độ từ trường ở bề mặt kim loại

1.3.3 Giới thiệu về công nghệ tôi bề mặt.

- Phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần được dùng khá phổ biếntrong các xưởng nhiệt luyện Đây là một dạng nguồn nhiệt được sinh ratrong 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 toả ra rất lớn, nung bề mặt chi tiếtvới một tốc độ rất cao Nhiệt lượng được phát sinh chủ yếu do hai nguyênnhân:

+ Xuất hiện dòng Fucô: đây là các dòng điện khép kín ( có chiều ngượcvới chiều của dòng kích thích) do đó được biến đổi hoàn toàn thành nhiệtnăng 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 lớpmỏng tiêu thụ 86,5% lượng nhiệt cung cấp được gọi là chiều sâu xâm nhậpcủa dòng cảm ứng, được tính bằng công thức:





2 0

2

2e H

2

2e H i

+ Xuất hiện đường cong từ trễ: dưới tác dụng của từ trường ngoài vớicường độ H[A/m], trong vật liệu dẫn điện xuất hiện cảm ứng từ (mật độ từthông) B[T] Khi từ trường biến thiên, sẽ tạo nên vòng từ trễ và diện tích củavòng từ trễ chính là năng lượng điện từ được chuyển thành nhiệt năng:

độ thẩm từ nhanh chóng giảm xuống tới =1, cường độ nung giảm mạnh, do

đó, trên thực tế khi nung thép phải tính toán riêng cho hai giai đoạn nung( dưới và trên điểm Quyri) Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng đối vớithép cacbon thấp như sau:

Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f =30000 Hz, nhiệt

độ nung thay đổi từ 201000C thì  thay đổi từ 10.10-6 130.10-6(.m) và thay đổi từ 0,61(H/m) Khi đó lớp thấm tôi cũng thay đổi δ =0,2

6(mm) Với công suất tôi là 50 kW thì thích hợp cho việc tôi các vật có kíchthước vừa và nhỏ khoảng ϕ20 cm với lớp tôi từ 0,5 - 6 mm như các bánhrăng, trục khuỷu

Trong trường hợp toàn bộ lớp tôi được nung bằng dòng cảm ứng, đảm bảotốc 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 nhiệtvới tốc độ thấp

1.3.4 Chiều sâu lớp tôi.

Chiều sâu lớp tôi không những phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vàobản chất của vật liệu tôi, nhiệt độ nung và tốc độ nung trong khoảng chuyểnbiến pha, nói chung ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri Để đảm bảo chất lượnglớp tôi với thông số đã xác định là tần số f =30000 Hz cần lựa chọn thời giannung tức tốc độ nung phù hợp

Để xác định tốc độ nung, cần phải biết thời gian nung lớp kim loại ởkhoảng nhiệt độ đã cho Các phương pháp tính toán ( chủ yếu là thựcnghiệm) giả định rằng công suất riêng, tính cho một đơn vị bề mặt là khôngđổi Thực tế chúng có thể thay đổi cỡ 30 - 50%, cho nên ta sẽ phải dùng giátrị trung bình q(W/m2)

1.4 Xác định khoảng thời gian nung.

1.4.1.Xác định khoảng thời gian nung giai đoạn một.

Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng δ1 trong giai đoạn này thường nhỏhơn chiều sâu lớp tôi bề mặt (δ2) nhiều lần, nên có thể coi rằng nhiệt lượngsinh ra từ bề mặt được truyền vào trong bằng dẫn nhiệt Vì vậy sử dụngphương trình mô tả quá trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt không đổi (từ bề mặt)

để tính toán, ta được:

Trong đó:

ϑ = t-tđ, nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu tđ, (0C)

λ - hệ số dẫn nhiệt của kim loại, (W/mK)

a - hệ số khuếch tán nhiệt ( dẫn nhiệt độ ) của kim loại, (m2/s)

x - là khoảng cách kể từ bề mặt, (m)

τ - thời gian, (s)

q - công suất riêng ( nhiệt suất tạo ra trong chi tiết trên một đơn vị bềmặt của nó), (W/ m2)

iercf(z) – ký hiệu tích phân hàm Krampa

Khi đó nhiệt độ trên bề mặt (x=0) tính theo công thức sau:







1.4.2 Xác định thời gian nung giai đoạn hai.

Đây là giai đoạn nung từ nhiệt độ Quyri đến nhiệt độ tôi Do độ thẩm từgiảm 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 tảquá trình dẫn nhiệt với nguồn nhiệt phân bố đều trong toàn lớp tôi bề mặt.Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ như sau (với x δ2):

4

2 2

2 2

2 2

x

q Q

Trong đó:

ϑQ= t- tQ là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri tQ ,(0C)

δ2 – chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, (m)

Hàm F(z) tính như sau:

F(z) =

2

1 2

1

z

erfz z

2 2

có thể tính thời gian nung từ điểm Quyri đến nhiệt độ tôi của bề mặt chi tiết

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

1.5 Yêu cầu chất lượng, đặc điểm nguồn cấp và cấu tạo thiết bị.

- 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

- Đặc điểm của nguồn điện cấp cho lò tôi:

Bộ nguồn nghịch lưu đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho lò khi có tảilúc 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 nênnghịch lưu đòi hỏi phải làm việc được ở chế độ không tải

- Cấu tạo của thiết bị:

Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng trung tần từ 500 – 100.000 Hz Thiết

bị trung tần bao gồm hai bộ phận chính là: nguồn phát trung tần và cuộn cảmứng, ngoài ra còn có các bộ phận để làm nguội

+ Nguồn phát trung tần có 2 loại chính:

1 Máy phát tần số trung bình (500 – 10.000 Hz) dùng chủ yếu để nung sâuhoặc để nấu chảy kim loại

2 Máy phát tần số từ 10.000 – 100.000 Hz dùng chủ yếu để nung các chitiết có kích thước trung bình.

+ Cuộn cảm ứng có nhiều loại, tuỳ thuộc vào hình dáng, kích thước củachi tiết, phương pháp nung cũng như công suất của thiết bị và yêu cầu vềnăng suất cần đạt

Chương 2: Tính chọn các mạch công suất.

2.1 Các mạch công suất đã biết và ưu nhược điểm

Do đặc thù của lò tôi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lưu một pha cho bộnghịch lưu của bộ nguồn lò tôi thép Ta xét các sơ đồ sau:

2.1.1 Sơ đồ nghịch lưu áp một pha.

Đặc điểm: nguồn đầu vào là nguồn áp, nên có tụ C (C-> ) mắc song songvới điện trở nguồn Do vậy nguồn trở thành nguồn hai chiều: phát nănglượng cho tải đồng thời tiếp nhận năng lượng của tải trả ngược về, được tíchluỹ trong tụ C, thông qua các diode mắc song song ngược với các van độnglực chính

Điều chỉnh được tần số fN.

Các van chủ đạo sử dụng là các van điều khiển hoàn toàn do đó dễ điềukhiển đóng mở các van

+ Nhược điểm:

Số lượng van sử dụng khá nhiều

Công suất bộ biến đổi (BBĐ) phụ thuộc vào công suất của van nên bị hạnchế

UN có dạng xung hình chữ nhật nên khi phân tích Furier sẽ xuất hiệnnhiều thành phần sóng điều hòa bậc cao, do đó sẽ làm giảm hiệu suất của bộbiến đổi

2.1.2 Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha.

- Đặc điểm: Nguồn đầu vào là nguồn dòng, do đó nguồn được nối nối tiếpvới Ld (Ld -> ) nhằm san phẳng dòng đầu vào: Td = const

- Dòng điện nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, có tần số fN tạo ra nhờđóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ Do đó có thể thayđổi fN theo tần số điều khiển fđk

- Xét đồ thị hoạt động của mạch:

* Ưu, nhược điểm:

+ Ưu điểm:

Điều chỉnh đựơc tần số fN.

Van sử dụng là van Tiristor nên có công suất lớn hơn rất nhiều so với sơ

đồ trên (sử dụng van điều khiển hoàn toàn)

Chỉ cần quan tâm đến vấn đề mở van, vì khi mở van cặp van này sẽ làmcặp van kia đóng lại

+ Nhược điểm:

Không làm việc được ở chế độ không tải

Dòng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật nên chứa nhiều thành phần sóngđiều hoà bậc cao làm giảm hiệu suất BBĐ

Dạng điện áp và góc khoá β - góc khoá nghịch lưu thay đổi khi giá trị

của điện cảm đầu vào Ld thay đổi Cụ thể:

o Ld = ∞ => id = Id= const, dòng nghịch lưu có dạng xung chữnhật Và có ut biến thiên hàm mũ và góc khoá  là max

o Ld <  nhưng vẫn đảm bảo id liên tục Lúc này iN có dạngnhấp nhô do vẫn chứa các sóng điều hoà bậc cao Dạng điện áp gần sin hơnnhưng góc khoá  giảm đi

o Ld <  dòng bị gián đoạn Khi đó trong mạch có thể xảy racộng hưởng L,C điện áp sẽ trở nên sin nhưng góc khoá  là min

2.1.3 Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng.

* Ở nghịch lưu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điện iN (hoặc điện áp uN) đều

có chứa thành phần sóng điều hoà bậc cao Vì vậy sẽ làm giảm hiệu suất củaBBĐ Để tăng hiệu suất của BBĐ ta xét nghịch lưu cộng hưởng

* Do tải có tính cảm kháng vì vậy ta phải đấu với tải tụ C để bù lại tính cảmkháng nhằm tạo ra cộng hưởng trong mạch Nhưng do tải thay đổi liên tụctrong quá trình tôi, nên ta không thể thực hiện bù đủ được, do vậy mà mạchchỉ tiệm cận tới dao động cộng hưởng Sau đây ta xét các mạch dao độngcộng hưởng cơ bản:

a Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp:

- Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, bộ nghịch lưu phải là nghịch lưunguồn áp Ta xét sơ đồ cầu:

Sơ đồ này sử dụng cộng hưởng nguồn áp nên có thể làm việc được ở chế

độ không tải

Và do cộng hưởng nối tiếp nên sơ đồ này có thể làm việc được với tải biếnthiên rộng và trong thực tế sơ đồ này được sử dụng rộng rãi

Mạch sử dụng IGBT và có tốc độ tăng dòng cũng như tăng áp nhỏ do đó

có thể làm việc với tần số rất cao

Có phụ tải là một mạch dao động với dòng và áp có dạng hình sin, tải thiết

kế có tính chất điện dung do đó các thyristor trên sơ đồ sẽ chuyển mạch tựnhiên

Có thể tạo dòng điện, điện áp gần sin nên ít chứa thành phần sóng bài bậccao

Dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng lượng làm tăngnhiệt độ của vật, không cần đến sự tiếp xúc giữa nguồn nhiệt với vật bị nung

Vì vậy ta chọn sơ đồ này để thiết kế phần nghịch lưu cho bộ nguồn lò tôi thép.

* Xét hoạt động của mạch:

- Điện áp nghịch lưu dạng xung chữ nhật, dòng điện trên tải gần sin vàdòng điện vượt trước điện áp ( do thực hiện mồi chậm để chắc chắn cặp vanđược khoá mới mở cặp van khác).

- Tại thời điểm  = 0 cho xung mở van T1,T2: dòng đi từ A -> B, tụ Cđược nạp Khi tụ C được nạp đầy dòng qua van T1,T2 giảm về 0 Nhưng dotải mang tính cảm nên dòng vẫn giữ nguyên chiều cũ nên khép mạch quaD3,D4 và C0 Khi đó điện áp uc đặt lên T1,T2 làm chúng bị khoá chắc chắn

- Tại thời điểm    2 phát xung mở T3,T4 dòng đi từ B -> A và tụ C đượcnạp theo chiều ngược lại Khi tụ C nạp đầy dòng qua T3,T4 giảm về 0, dònglại khép mạch qua D1,D2 và C0 Sau đó quá trình diễn ra lặp lại tương tựnhư trên

b Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng song song:

- Sử dụng nguồn dòng vì phụ tải gồm tụ điện, điện cảm và điện trở nốisong song ở đầu ra tạo nên tải nguồn áp

- Sơ đồ sử dụng van Tiristor nên công suất của BBĐ lớn Ld có giá trị hữuhạn sao cho kết hợp với Lt, C tạo thành mạch cộng hưởng dao động với tần

số riêng:

0 4 2 2

1

.L C R C L

L L t d

- Do hiện tượng cộng hưởng nên uN, iN có dạng gần sin chứa ít thành phầnsóng điều hoà bậc cao do đó mà nâng cao được hiệu suất của BBĐ.

- Các đại lượng du/dt, di/dt có giá trị nhỏ nên phù hợp để sử dụng chothiết bị làm việc với tần số cao, mà không đòi hỏi nhiều về mạch bảo vệ vantránh hiện tượng xung

- Nghịch lưu cộng hưởng có dự trữ góc  lớn để nghịch lưu làm việc ổnđịnh và tần số f0 < fN - tần số nghịch lưu, để đảm bảo các van được khoá chắcchắn.

- Nghịch lưu cộng hưởng song song sử dụng nguồn dòng nên không thể làmviệc được ở chế độ không tải

* Về vấn đề khởi động:

Nghịch lưu cộng hưởng song song được khởi động bằng mạch khởiđộng không phù hợp với các tải hay có sự thay đổi trong quá trình làm việc,còn nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp được khởi động bằng cách tăng tần dầntần số và mạch sẽ được sử dụng hiệu quả nhất về mặt phát huy công suấttrên tải khi tần số làm việc ở trong một khoảng nhất định có thế xác địnhtrước Mặt khác nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp có thể làm việc ở chế độgiới hạn f = f0, chế độ này đảm bải dòng tải là hình sin

* Qua những phân tích trên ta đi đến kết luận: sử dụng sơ đồ cầu cộnghưởng nối tiếp ( cộng hưởng nguồn áp ) để thiết kế phần nghịch lưu cho bộnguồn lò tôi thép

Sơ đồ khái quát như hình vẽ:

2.2 Tính chọn các van bán dẫn công suất cho sơ đồ mạch.

2.2.1 Tính toán các thông số lò tôi.

Số liệu đề bài: P = 50 kW

fra = 30 kHz Chọn số vòng cảm ứng bằng 3, đường kính dây ϕ = 8c,

Chi tiết tôi là lõi hình trụ ϕ20, điện trở suất ρ = 180.10-9 (  m2/m)





5cm

Khoảng cách giữa vòng cảm ứng và chi tiết tôi là 5 cm.

Như vậy, chiều cao của chi tiết là: h = 3.8 = 24 (cm)

Đường kính trong vòng cảm ứng: D = 20 + 5.2 = 30 (cm)

Dòng điện từ bề mặt vào tâm giảm dần theo công thức: i=i.e

−x δ

δ : Khoảng cách từ bề mặt dây dẫn theo hướng tâm đến nơi có mật độ dòng điện giảm e = 2,71 lần so với mật độ dòng bề mặt Khoảng cách này gọi là chiều sâu thẩm thấu

Lấy theo đơn vị thực tế : R =





= 12,03 (  )

2.2.3 Tính cảm kháng của cuộn dây:

Điện cảm của cuộn ây được tính theo công thức: