Các loại lò điện thường dùng là - Lò điện trở - Lò hồ quang - Lò cảm ứng Trong đó lò cảm ứng được ứng dụng rất rộng rãi, đăc biệt là các lò tôi tần số .Trong những lò này, nguyên liệu đ
Trang 1Đồ án môn học điện tử công suất
Phần I TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ
THUẬT CỦA LÒ TÔI THÉP
I.Giới thiệu về lò cảm ứng
1.1 Khái quát chung:
Hiện nay trong công nghiệp luyện kim, luyện thép trong lò điện là một khâu quan trọng Các loại lò điện thường dùng là
- Lò điện trở
- Lò hồ quang
- Lò cảm ứng
Trong đó lò cảm ứng được ứng dụng rất rộng rãi, đăc biệt là các lò tôi tần số .Trong những lò này, nguyên liệu được nung nóng nhờ dòng điện xoay chiều với tần số cao nhờ vào hiệu ứng dòng Fucô
1.2 Lò tôi cao tần:
-Tôi thép là sự nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn các biến đổi pha, hãm ở nhiệt độ đó và làm nguội nhanh với tốc độ lớn hơn tốc độ tới hạn
-Mục đích của quá trình tôi thép:
+ Nâng cao độ cứng (HRC) bề mặt, độ bền và tính mài mòn của thép + Đạt được sự phối hợp tốt các tính chất cơ khí khác
Tôi tần số cao (tôi cảm ứng) là phương pháp tôi công nghệ tiên tiến, chủ yếu dùng để tôi bề mặt, nó cho phép bề mặt đạt độ cứng và tính mài mòn cao hơn các phương pháp tôi thông thường, còn phần lõi vẫn đạt độ dẻo
1.2.1Nguyên lý làm việc:
Trang 2Đồ án môn học điện tử công suất
Khi cho dòng điện có tần số cao chạy qua vòng dây
dẫn( vòng cảm ứng ) sẽ tạo ra một từ trường thay đổi
mãnh liệt bên trong vòng dây.Vật cần tôi được đặt
trong từ trường xoay chiều đó Sự bố trí cuộn dây cảm
ứng và chi tiết cần tôi có thể coi như một máy biến áp
Vòng cảm ứng là cuộn sơ cấp nơi dòng điện đi vào còn
chi tiết cần tôi là cuộn thứ cấp ngắn mạch.Chính điều
này gây ra dòng điện rất lớn chảy qua chi tiết tôi gọi là
dòng điện xoáy ( dòng Fucô) Nhờ vào hiệu ứng bề mặt
mà dòng điện xoáy sẽ chỉ chảy ở lớp bề mặt mỏng của chi
tiết tôi, cũng chính nhờ hiệu ứng bề mặt mà tác dụng nung
nóng của dòng xoay chiều chảy trong chi tiết tăng lên rất nhiều
Nhờ vậy, bề mặt chi tiết được nung nóng đến nhiệt độ quy định trong thời gian ngắn
Sau đó bằng các phương pháp làm nguội nhanh để có được độ cứng bề mặt cần thiết
Sự phân bố dòng điện trong chi tiết tôi tuân theo quy luật:
Một cách gần đúng có thể coi δ là chiều sâu của lớp có dòng điện chạy qua,
cũng chính là chiều sâu lớp tôi và được tính theo công thức:
Trang 3Đồ án môn học điện tử công suất
f
5030
μ
ρ
trong đó:
ρ : điện trở suất (Ω.cm)
μ : độ từ thẩm
f : tần số dòng điện (Hz) Năng lượng chuyển thành nhiệt trong khối liệu W
W = I2.n2.2.л.(d/h) (ρ.μ.f 10 -9 )
I : Cường độ dòng trong cuộn cảm
n : Số vòng cảm ứng
d : Đường kính nồi lò (cm)
h : Chiều cao kim loại trong lò (cm)
μ : Độ từ thẩm ; ρ : Điện trở suất mẻ liệu (Ωcm)
Như vậy, để tăng nhiệt lượng nung nóng chi tiết, ta có thể tăng cường độ dòng điện hoặc tăng tần số dòng điện Thực tế, tăng dòng điện quá lớn có thể gây hỏng vòng dây cảm ứng gây ra ngắn mạch nên ta thường chọn phương
án tăng tần số để tăng công suất tôi
1.2.2 Ưu điểm của lò tôi tần số:
• Có thể truyền năng lượng cho vật cần gia công nhanh chóng và trực tiếp, không cần phải qua một khâu trung gian nào nên có thể tiến hành tự động hoá ở mức độ cao Có thể gia nhiệt ở môi trường trung tính, chân không một cách dễ dàng
• Trong công nghệ tôi thép, người ta cần nung đỏ bề mặt chi tiết lên nhanh chóng, sau đó làm nguội lạnh đi cũng rất nhanh để bề mặt chi tiết có độ cứng cần thiết mà bên trong chi tiết vẫn giữ được độ mềm dẻo của thép Khi gia nhiệt bằng dòng điện cao tần, nhờ hiệu ứng bề mặt bề mặt của chi tiết dược nung đỏ lên một cách nhanh chóng do đó chất lượng tôi cao
Trang 4Đồ án môn học điện tử công suất
• Vật tôi ít biến dạng do lớp tôi rất mỏng
• Có thể tôi các chi tiết có hình dáng và bề mặt bất kỳ
• Là phương pháp tôi không tiếp xúc nên chi tiết tôi được giữ sạch
• Dùng phương pháp gia nhiệt cao tần cho ta đạt được năng suất lao động
cao, giảm được những lao động cực nhọc trong các phân xưởng rèn dập ở
các nhà máy chế tạo cơ khí
1.2.3 Đặc điểm của công nghệ tôi tần số:
Trong quá trình tôi thép bằng lò tôi cao tần, độ từ thẩm và điện trở suất
của thép sẽ thay đổi do nhiệt độ thay đổi Tuy nhiên nhiệt độ tôi chỉ đạt đến
nhiệt độ Quire ( thép chưa chảy ) nên điện trở suất và độ từ thẩm thay đổi
không đáng kể Mặt khác tần số dòng điện rất lớn nên khi tôi, chiều sâu lớp
tôi thay đổi không đáng kể vì
f
5030
μ
ρ
tôi rất nhỏ so với đường kính vật tôi
Do đó trong quá trình tôi, vật tôi( tải) thay đổi không đáng kể và có tính chất
cảm
Trang 5Đồ án môn học điện tử công suất
Phần II : ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN VÀ LỰA CHỌN
PHƯƠNG ÁN
Do đặc thù của lò tôi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lưu một pha cho phần nghịch lưu của bộ nguồn lò tôi thép Ta sét lần lượt các sơ đồ sau:
1 Sơ đồ nghịch lưu áp một pha:
Đặc điểm: nguồn đầu vào là nguồn áp, nên có tụ C (C->∞) mắc song song với điện trở nguồn Do vậy nguồn trở thành nguồn hai chiều: phát năng lượng cho tải đồng thời tiếp nhận năng lượng của tải trả ngược về, được tích luỹ trong tụ C, thông qua các diode mắc song song ngược với các van động lực chính
Trang 6Đồ án môn học điện tử công suất
Xét đồ thị hoạt động của mạch:
- Điện áp nghịch lưu có dạng xung vuông chữ nhật, có tần số fN tạo ra nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ: fN=fđk
Do đó khi thay đổi tần số điều khiển fđk có thể thay đổi tần số nghịch lưu fN tuỳ ý
- Ưu nhược điểm:
Trang 7Đồ án môn học điện tử công suất
+ Ưu điểm:
• Điều chỉnh được tần số fN
• Các van chủ đạo sử dụng là các van điều khiển hoàn toàn do đó dễ điều khiển 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 hạn chế
• UN có dạng xung chữ nhật nên khị phân tích Furie sẽ xuất hiện nhiều thành phần sóng điều hoà bấc cao do đó làm giảm hiệu suất của BBĐ
2 Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha:
- Đặc điểm: Nguồn đầu vào là nguồn dòng, do đó nguồn được nối nối tiếp với 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 nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ Do đó có thể thay đổi fN theo tần số điều khiển fđk
- Xét đồ thị hoạt động của mạch:
Trang 8Đồ án môn học điện tử công suất
- 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 làm cặp 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 sóng điều 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 chữ nhật Và có ut biến thiên hàm mũ và góc khoá β là max
o Ld<∞ nhưng vẫn đảm bảo id liên tục Lúc này iN có dạng nhấp nhô do vẫn chứa các sóng điều hoà bậc cao Dạng điện áp gần sine hơn nhưng góc khoá β giảm đi
Trang 9Đồ án môn học điện tử công suất
o Ld<∞ dòng bị gián đoạn Khi đó trong mạch có thể xảy ra cộng hưởng L,C điện áp sẽ trở nên sine nhưng góc khoá β là min
3 Nghịch lưu cộng hưởng:
* Ở nghịch lưu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điên iN (hoặc điện áp uN) đều
có chứa thành phần sóng điều hoà bậc cao Vì vậy sẽ làm giảm hiệu suất của BBĐ 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 cảm kháng nhằm tạo ra cộng hưởng trong mạch Nhưng do tải thay đổi liên tục trong quá trình tôi, nên ta không thể thực hiện bù đủ được, do vậy mà mạch chỉ tiệm cận tới dao động cộng hưởng Sau đây ta xét các mạch dao động cộng 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 lưu nguồn 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 biến thiên 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
Trang 10Đồ án môn học điện tử công suất
• 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
tự nhiên
• Có thể tạo dòng điện, điện áp gần sin nên ít chứa thành phần sóng hài bậc cao
• Dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng lượng làm tăng nhiệt 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 sine và dòng điện vượt trước điện áp ( do thực hiện mồi chậm để chắc chắn cặp van được khoá mới mở cặp van khác)
- Tại thời điểm θ = 0 cho xung mở van T1,T2: dòng đi từ A-> B, tụ C được nạp Khi tụ C được nạp đầy dòng qua van T1,T2 giảm về 0 Nhưng do tải mang tính cảm nên dòng vẫn giữ nguyên chiều cũ nên khép mạch qua D3,D4 và C0 Khi đó điện áp uc đặt lên T1,T2 làm chúng bị khoá chắc chắn
