Đề tài Nghịch lưu lò tôi

Nghịch lưu lò tôi - 1 - CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT 1. Khái niệm: Lò tôi cảm ứng là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần. 2. Ứng dụng và ưu nhược điểm: 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 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 phẩm không bị oxihoá - 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 hoá 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: Nghịch lưu lò tôi - 2 - - 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 30) vì lõi không được hoá bền. 3. Tính chất công nghệ: -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 các cuộn dây được cấp nguồn có tần số cao; khi cho tải đi qua là các chi tiết bằng thép cần tôi thì chúng được nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong chính bản 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: i = I0.sin(ωt) Trong cuộn cảm xuất hiện một suất điện động tự cảm: e = -L dt di = -ωLI00 cos(ωt) Giả thiết điện trở R của cuộn cảm bằng không, khi đó ta có định luật Ôm cho đoạn mạch sẽ là: u = R.i-e = ωLI00 cos(ωt) = ωLI00 sin(ωt+π/2) => u = U0sin(ωt+π/2) Nghịch lưu lò tôi - 3 - Như vậy hiệu điện thế ở hai đầu cuộn cảm (không có điện trở) biến thiên điều hoà cùng tần số góc với dòng điện qua cuộn cảm và sớm pha hơn dòng điện π/2 - Để nghiên cứu quá trình truyền năng lượng điện từ từ nguồn điện vào thanh kim loại người ta sử dụng phương trinh Macxoel trong trường điện từ: rot H = j + t D ∂ ∂ ; div H =0; rot E = - t B ∂ ∂ ; div E=0; trong đó: B=H : độ từ cảm,[T]; H – cường độ từ trường, [H] D=0E : điện cảm,[C/ m2]; E – cường độ điện trường, [V/m] j =E = E/ - mật độ điện dẫn  - điện trở suất của kim loại  - điện dẫn suất của kim loại Qua biến đổi ta được năng lượng cung cấp cho kim loại: S= QP 22 + với năng lượng cấp nhiệt cho kim loại: γδ δ 20 2 2 eHP z− = năng lượng phản kháng: γδ δ 20 2 2 eHiQ z− = trong đó bề dày thẩm thấu H0 – cường độ từ trường ở bề mặt kim loại. Nghịch lưu lò tôi - 4 - - 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 toả ra rất lớn, nung bề mặt chi tiết với một tốc độ rất cao. Nhiệt lượng được phát sinh chủ yếu do hai nguyên nhân: + Xuất hiện dòng Fucô: đây là các dòng điện khép kín ( có chiều ngược 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:  fμ ρ (m) + 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: ST= BdH [J/m3] ST thể hiện lượng nhiệt được sinh ra trong một đơn vị thể tích vật liệu dưới tác động của điện từ trường biến thiên. - Trong quá trình tôi, chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng bị thay đổi do giá trị điện trở suất ρ và độ thẩm từ μ thay đổi theo nhiệt độ. Khi nung từ nhiệt độ thường tới nhiệt độ Quyri (7680C), điện trở suất tăng mạnh, còn độ thẩm từ gần như không đổi. Sau nhiệt độ Quyri điện trở suất tăng chậm lại, 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 với thép cacbon thấp như sau: Nghịch lưu lò tôi - 5 - Dưới 7000C: f 2 1 =δ [cm] Trên 8000C: f 60 2 =δ [cm] Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f=10000Hz, nhiệt độ nung thay đổi từ 20÷1000C thì ρ thay đổi từ 10.10-6÷130.10-6(Ω m) và μ thay đổi từ 60÷1(H/m). Khi đó lớp thấm tôi cung thay đổi ÷6,7(mm). Với công suất tôi là 45kW thì thích hợp cho việc tôi các vật có kích thước vừa và nhỏ khoảng 20 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 chiếu 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 Nghịch lưu lò tôi - 6 - đảm bảo chất lượng lớp tôi với thông số đã xác định là tần số f=10000Hz cần lựa chọn thời gian nung tức tốc độ nung 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 nghiệm) 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). 4. Xác định khoảng thời gian nung a, Xác đinh thời gian nung giai đoạn một: Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng 1 trong giai đoạn này thường nhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt (≈2) 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: τλ τϑ axierfcaqx 22= Trong đó: t-tđ , nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu tđ,0C -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  - thời gian, s q - công suất riêng ( nhiệt suất tạo ra trong chi tiết trên một đơn vị bề mặt 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: Nghịch lưu lò tôi - 7 - π τ λϑ aqM 2= Từ đó thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn một được tính là: 22 2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= qa ϑλπτ b, Xác đinh thời gian nung giai đoạn hai: 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 toàn lớp tôi bề mặt. Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ như sau (với x≤2): ( ) ( ) ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−+ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++= 1 2 1 24 22 2 22 2 2 ττλ δδδδδϑ a x Fx a x FxqQ Trong đó: Q= t- tQ là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri tQ , 0C 2 – chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, m Hàm F(z) tính như sau: F(z) = 21 2 11 2 ze z erfz z −+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + π erfz – Hàm Krampa theo z Khi đó: Nhiệt độ tại bề mặt chi tiết (x=0) trong giai đoạn hai tính như sau: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛= 1 22 22 τ δ λ δδ aFqQM Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x=2) tính như sau: Nghịch lưu lò tôi - 8 - ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛= 1 2 22 τ δ λ δδ aFqQT Dựa trên các công thức này và bằng phương pháp gần đúng liên tục (cho giá trị τ , tính Qϑ và t, nếu sai số lớn thì chọn lại τ và lặp lại phép tính) 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 tổng thời gian nung của giai đoạn một và hai 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 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. - Cấu tạo của thiết bị: Thiết bị tôi cảm ứng dùng dòng tần số cao từ 500 – 500.000 Hz. Thiết bị cao tần bao gồm hai bộ phận chính là: nguồn phát tần số và cuộn cảm ứng, ngoài ra còn có các bộ phận để làm nguội. + Nguồn phát tấn số cao có hai loại chính Nghịch lưu lò tôi - 9 - 1. Máy phát tần số trung bình (500 – 10.000 Hz) dùng chủ yếu để nung sâu hoặc để nấu chảy kim loại 2. Máy phát tần số từ 10.000 – 200.000 Hz dùng chủ yếu để nung các chi tiết có kích thươc trung bình với độ sâu thẩm thấu khoảng 0,1 – 2 mm 3. Máy phát tần số cao (200.000 – 500.000 Hz) dùng bóng bán dẫn để nung lớp mỏng bề mặt . + Cuộn cảm ứng có nhiều loại, tuỳ thuộc vào hình dáng, kích thước của chi tiết, phương pháp nung cũng như công suất của thiết bị và yêu cầu về năng suất cần đạt. Nghịch lưu lò tôi - 10 - CHƯƠNG 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. 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: + Ưu điểm: Nghịch lưu lò tôi - 11 - • 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. Nghịch lưu lò tôi - 12 - - 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: - Ưu nhược điểm: Nghịch lưu lò tôi - 13 - + 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. 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 Nghịch lưu lò tôi - 14 - 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: Nghịch lưu lò tôi - 15 - o Sơ đồ này sử dụng cộng hưởng nguồn áp nên có thể làm việc được ở chế độ không tải. o Tải mang tính cảm nên ta đấu với tải tụ C nhằm tạo ra dao động cộng hưởng và đồng thời phải bù thừa nhằm tạo ra góc khóa β cần thiết để chắc chắn là khóa được van lực. o 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. 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. - Tại thời điểm 2θθ = phát xung mở T3,T4 dòng đi từ B->A và tụ C được nạp theo chiều ngược lại. Khi tụ C nạp đầy dòng qua T3,T4 giảm về 0, dòng lại khép mạch qua D1,D2 và C0. Sau đó quá trình diễn ra lặp lại tương tự như 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 nối song song ở đầu ra tạo nên tải nguồn áp. Nghịch lưu lò tôi - 16 - - Sơ đồ sử dụng van Tiristor nên công suất cuả BBĐ lớn. Ld có giá trị hữu hạn sao cho kết hợp với Lt , C tạo thành mạch cộng hưởng dao động với tần số riêng: 220 4 1 .. CRCLL LL td td −+=ω - Xét đồ thị hoạt động của mạch: Nghịch lưu lò tôi - 17 - - Do hiện tượng cộng hưởng nên uN, iN có dạng gần sine chứa ít thành phần sóng 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 cho thiết bị làm việc với tần số cao, mà không đòi hỏi nhiều về mạch bảo vệ van tránh hiện tượng xung. - Nghịch lưu cộng hưởng có dự trữ góc β lớn để nghịch lưu làm việc ổn định và tần số f0<fN _ tần số nghịch lưu, để đảm bảo các van được khoá chắc chắn - Ngịch lưu cộng hưởng song song sử dụng nguồn dòng nên không thể làm việc được ở chế độ không tải. Nghịch lưu lò tôi - 18 - * Qua những phân tích trên ta đi đến kết luận: sử dụng sơ đồ cầu cộng hưởng nối tiếp (cộng hưởng nguồn áp) để thiết kế phần nghịch lưu cho bộ nguồn lò tôi thép. Nghịch lưu lò tôi - 19 - CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MẠCH LỰC Số liệu: Công suất: P= 70kW Điện áp ra: Ura=400 V Tần số: fN= 10000 Hz cosϕ đm=0.8 - Ta có sơ đồ: - Dòng điện tải ở chế độ định mức: IN= )(75,2188,0.400 10.70 cos. 3 A U P ña ==ϕ => R= )(46,1 75,218 10.70 2 3 2 Ω== NI P Do 1+tg2ϕ = 1/cos2ϕ => tgϕ = 0,75 Nghịch lưu lò tôi - 20 - Mà tgϕ = UL/UR = ω .L/R => L= )(10.4,1710000.2 75,0.46,1. 6 HtgR −== πω ϕ => ZL= )(1,110.4,17.10000.2. 6 Ω== −πω L Do van làm việc ở tần số cao nên thời gian phục hồi ngắn. Ta lấy toff = 7 μ s. Vì vậy để đảm bảo nghịch lưu hoạt động bình thường thì góc khoá nghịch lưu 060 2,2510.7.10000.180.2. ==≥ −offtωβ Chọn β =300. Theo đồ thị ta có: tg β = R ZZ U UU LC R LC −=− từ đó ta có: ZC= R. tg β + ZL= 1,46. 3 1 + 1,1=1.94(Ω ) => điện dung: C = CZ. 1 ω = 94,1.10000.2 1 π = 8,2(μ F) Từ sơ đồ mạch ta có thể xác định được điện áp nghịch lưu: UN = IN 22 )( CL ZZR −+ = 218,75 22 )1,194,1(46,1 −+ =368,5 (V) => Điện áp một chiều cung cấp cho nghịch lưu: E = 22 π UN = 22 π . 368,5 ≈ 409 (V) Ở đây, điện áp uN >> ΔU _ độ sụt áp trên van nên ta có thể bỏ qua độ sụt áp này. Nghịch lưu lò tôi - 21 - 1. Lựa chọn các van: • Xét các thông số van Tiristor: - Dòng trung bình qua van: ITB-T = ∫ − + βπ θβθπ 0 )sin(.2 2 1 dI N = βπβθπ −+− 0)cos(.2 2 NI = 9,91)1.(cos 2 2 =+βπ NI (A) - Điện áp ngược max: Ung-T max = E =409 (V) Lựa chọn các hệ số dự trữ Ki và Ku theo điều kiện làm mát của van. Do điều kiện làm việc, nên ta có thể làm mát bằng nước, nằm trong quá trình làm mát vật liệu sau khi đi ra khỏi lò. Ở đây ta chọn các hệ số dự trữ: Ki = 1,5 và Ku = 1,5 Do đó ta có: IT = Ki. ITB-T = 137,85 (A) UT = Ku. Ung-T max = 613,5 (V) Từ các thông số này ta có thể tra và chọn van Tiristor sau: SC150C80 có các thông số cơ bản sau: - Điện áp ngược cực đại: Un max= 800 (V) - Dòng điện làm việc cực đại: Iđm max = 150 (A) - Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn: ΔUmax = 1,6 (V) - Điện áp xung điều khiển: Ug = 2,5 (V) - Dòng điện xung điều khiển: Ig = 100 (mA) - Đạo hàm điện áp: du/dt = 200 (V/s) Nghịch lưu lò tôi - 22 - - Đạo hàm dòng điện: di/dt = 250(A/ μ s) • Xét các thông số của Diode: - Dòng trung bình qua Diode: ITB-D = ∫ − + π βπ θβθπ dI N )sin(.22 1 = π βπβθπ −+− )cos(.2 2 NI = 6,6)cos1.( 2 2 =− βπ NI (A) - Điện áp ngược đặt lên Diode: Ung-D max = E =409 (V) Chọn các hệ số dự trữ như đối với Tiristor , ta có: ID = Ki. ITB-D = 9,9 (A) UD = Ku. Ung-D max =613,5 (V) Từ đó tra và chọn Diode CR20_100 có các thông số sau: - Dòng chỉnh lưu cực đại: Imax = 20 (A) - Điện áp ngược của Diode: Un = 1000 (V) - Tổn hao điện áp ở trạng thái mở: ΔU = 1,1 (V) • Tính toán tụ C0: Giá trị của tụ C0 được tính như sau: C0 = ( )2ln21.3 . −Δ Ct t UR TE ΔUC: biến thiên điện áp nguồn một chiều tính theo % Tt = Lt/Rt Để đơn giản trong tính toán ta chọn tụ C0 theo công thức: Nghịch lưu lò tôi - 23 - C0 = )(5,24)(10.5,2446,1 10.4,17.333 6 2 6 2 FFR L R T t t t t μ==== − − 2. Xét mạch bảo vệ van mạch lực tránh quá dòng, áp: Ta sử dụng mạch bảo vệ đơn giản (như hình vẽ): - Ta mắc van song song với một tụ C và R để tránh quá áp; giá trị của C và R thường được tính theo kinh nghiệm: R = 20÷100 (Ω ) và C = 0,5÷4 ( Fμ ) ở đây ta chọn: R = 50Ω và C = 2 Fμ - Để bảo vệ quá dòng ta mắc van nối tiếp với một cuộn cảm L. Giá trị điện cảm tính như sau: max ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ dt di < cpdt di ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ Do: L u dt di = , nên: cpdt di L U ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛<max => L > ( ) ( )HH dt di U cp μ64,110.64,1 10.250 409 6 6 max === ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ − Từ đó có thể xác định giá trị của điện cảm: L=2 (μ H) * Như vậy, tổng quan ta đã lựa chọn và thiết kế xong cơ bản mạch lực của phần nghịch lưu. Nghịch lưu lò tôi - 24 - CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 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. Phát xung điều khiển khởi động Chia xung Khuếch đại sửa xung Van mạch lực Khâu phản hồi Nghịch lưu lò tôi - 25 - - 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 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. II. 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 + Tần số nghịch lưu fN= 10000Hz Nghịch lưu lò tôi - 26 - + Độ rộng xung răng cưa tx + Mức sụt áp xung cho phép ΔUx=0,2 V + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển 15V 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: Tần số dao động của mạch phù hợp với tần số xung mở Tristor là: fđk= 2fN= 2.10000 = 20000(Hz) Ta có chu kỳ xung của mạch là: T = 2.RC.ln ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + 1 221 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 15V D1 DIODE + U1 LM318 -15VC1 0.03uF R 1k R3 1k R2 0.86k R1 1k Nghịch lưu lò tôi - 27 - Do đó ta chọn: R1= 1 kΩ và R2= 0,86 kΩ Khi đó: T= 2.RC = ( ) ( )ss f dk μ5010.50 20000 11 6 === − Chọn R=1 kΩ => C= ( )Fμ025,0 10.2 50 3 = 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 0C Sau 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 2. Tính toán khâu chia xung và phân kênh - Ta sử dụng T-Flip-Flop làm mạch chia xung ( chia 2) và phân kênh. Nghịch lưu lò tôi - 28 - T Flip-Flop được tạo ra từ D-Flip-Flop bằng cách nối đầu ra