thiết kế bộ điều chỉnh tần số và điện áp làm nguồn nhiệt

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của các ngành khoa học kỹ
thuật thì các phát minh, sáng chế đã và đang được áp dụng một cách phổ
biến rộng rãi, phục vụ tốt hơn cho cuộc sống của con người.
Trong công nghệ sản xuất cáp điện thì khâu gia nhiệt cho dây đồng
chuẩn bò vào đầu chuốt là cực kì quan trọng, nếu gia nhiệt một cách khoa học
và ổn đònh thì cáp sẽ có chất lượng tốt. Nói tóm lại nó quyết đònh đến chất
lượng của sản phẩm. Việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào quá
trình gia nhiệt đã tạo ra những ưu điểm rõ rệt, đó là nâng cao chất lượng sản
phẩm và giảm nhẹ cường độ lao động.
Dưới đây em xin trình bày về một công nghệ mới được áp dụng tại các
nhà máy sản xuất cáp điện, công nghệ sử dụng lò cảm ứng.
Trong quá trình làm không thể tránh khỏi những thiếu sót, em mong
thầy giáo góp ý và giúp đỡ để em có thể hoàn thành tốt hơn trong những lần
sau.
Em xin trân thành cảm ơn.
Hải Phòng ngày 15/05/2006
Sinh viên
Phạm Thanh Tùng
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA NHIỆT CHO
SẢN XUẤT CÁP ĐIỆN
1.1. Giới thiệu chung về công nghệ gia nhiệt cho dây đồng chuẩn bò
vào đầu chuốt 2
1.1.1. Giới thiệu chung 2
1.1.2. Phân loại thiết bò gia nhiệt bằng tần số 2
1.2. Ưu nhược điểm của thiết bò gia nhiệt bằng tần số 5
1.2.1. Ưu điểm 5
1.2.2. Nhược điểm 5
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP

LÀM NGUỒN GIA NHIỆT
2.1. Lý thuyết cơ sở về bộ điều chỉnh tần số và điện áp 6
2.2. Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ 6
2.2.1. Mạch biến đổi điện áp – tần số 7
2.2.2. Bộ điều chỉnh tần số 9
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC, SƠ ĐỒ
NGUYÊN LÝ, SƠ ĐỒ LẮP RÁP CHO HỆ THỐNG
3.1. Sơ đồ cấu trúc 11
3.2. Sơ đồ nguyên lý 11
Tài liệu tham khảo 15
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA NHIỆT CHO
SẢN XUẤT CÁP ĐIỆN
1.1. Giới thiệu chung về công nghệ gia nhiệt cho dây đồng chuẩn bò
vào đầu chuốt.
1.1.1. Giới thiệu chung
Trong công nghệ gia nhiệt nói chung có rất nhiều phương pháp.
Phương pháp sử dụng hiệu ứng Juole (lò điện trở), phương pháp sử
dụng phóng điện hồ quang,….Tuy nhiên ở nay ta đề cập đến một phương pháp
được sử dụng rộng rãi trong quá trình gia nhiệt cho dây đồng, đó là phương
pháp nhờ tác dụng nhiệt của dòng xoáy Foucault thông qua hiện tượng cảm
ứng điện từ hay còn gọi là lò cảm ứng. Trong công nghệ sản xuất cáp điện thì
lò cảm ứng được sử dụng trong quá trình chuốt phôi.
Khi ta đặt khối kim loại đồng vào trong một từ trường biến thiên thì
trong khối đồng sẽ xuất hiện các dòng điện xoáy. Nhiệt năng của dòng điện
xoáy sẽ đốt nóng khối đồng.
Nhiệt năng truyền vào khối đồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Điện trở suất ρ và hệ số từ thẩm µ của đồng
- Cường độ từ trường H.
W

nhiệt

≈
H
2

≈
I
2
Thực tế không thể tăng mãi dòng điện để tăng cường độ từ trường vì
vòng cảm ứng phải rất lớn và quá nóng, có thể nóng chảy.
- Tần số dòng cảm ứng
W
nhiệt
=
f
1.1.2. Phân loại thiết bò gia nhiệt bằng tần số
3
Thiết bò gia nhiệt tần số có thể phân loại theo tần số làm việc hay
phạm vi sử dụng.
a) Theo tần số làm việc có:
- Thiết bò tần số công nghiệp lấy điện từ lưới hoặc qua máy biến áp.
- Thiết bò trung tần với tần số làm việc 500 ÷ 10.000 Hz. Thiết bò này
thường dùng máy phát điện quay tần số cao hay dùng thyistor khi công suất
nhỏ và vừa.
- Thiết bò cao tần với tần số làm việc trên 10.000 Hz, thường dùng neon
phát hoặc thyristor.
b) Theo phạm vi ứng dụng có:
- Thiết bò tần số để nóng chảy kim loại và hợp kim
Lò cảm ứng loại này chia ra thành 2 loại là lò có lõi thép (lò máng)

và lò không có lõi thép (lò nồi)
Lò máng dung lượng nhỏ và nhiệt độ thấp nên hay dùng để nấu chảy
kim loại màu. Lò nồi có dung lượng nồi càng lớn thì tần số càng giảm (để
nóng đều giữa nồi). Dung lượng nồi có thể tới 10 tấn, làm việc ở tần số 50Hz,
công suất 1500kW.
- Thiết bò nung phôi cho rèn, dập, cán. Phôi càng lớn thì tần số làm
việc càng nhỏ.
- Thiết bò tôi bề mặt thường làm việc ở tần số cao. Lớp tôi càng mỏng
thì tần số làm việc càng cao.
- Thiết bò nung, sấy chất điện môi và bán dẫn.
1.1.3. Sự truyền năng lượng trong phôi đồng.
Năng lượng điện truyền từ nguồn điện, qua vòng cảm ứng, biến đổi
thành năng lượng trường điện từ. Trong phôi đồng, điện năng dòng xoáy cảm
ứng được chuyển thành nhiệt năng.
4
Khi truyền sâu vào trong phôi đồng, độ lớn của các véc tơ
E
và
H
(2
thành phần của trường điện từ) bò giảm dần và năng lượng trường điện từ
cũng giảm dần (theo độ sâu truyền Z)
Độ sâu theo chiều vuông góc với bề mặt phôi đồng được tính theo công
thức:
δ = 503
γµ
f
1
, (m)
gọi là độ sâu thẩm thấu.

trong đó µ là hệ số từ thẩm tương đối của đồng, µ = 1H/m.
f là tần số dòng điện
γ là điện dẫn suất của đồng, ở 1000
°
C γ = 10
7
(1/Ωm)
Như vậy tần số càng lớn thì δ càng nhỏ và năng lượng điện từ càng tập
trung đốt nóng lớp ngoài của phôi đồng
Để tiện tính toán, người ta hay dùng công thức tính toán theo số ampe
– vòng. Mật độ năng lượng tại mặt ngoài ( mặt phẳng) sẽ là:
S
0
= 2.10
-4
(IW
0
)
2
f
ρµ
, (W/cm
2
)
trong đó I là dòng điện của cuộn cảm ứng, A
W
0
là số vòng /cm chiều cao của cuộn cảm ứng.
Do khối đồng có mặt ngoài là hình trụ nên ta phải thêm hệ số hình
dáng ϕ vào công thức.

Hệ số hình dáng là một hàm số của δ và bán kính vật gia công
δ = δ
)
2
(
δ
r
Và khi đó công suất thấm vào phôi đồng sẽ là
P = S
0
F, (W)
Trong đó F là diện tích bề mặt, (cm
2
)+
5
* Tần số dòng gia nhiệt phù hợp được chọn theo bề dày thấm tôi, nói
chung δ tăng thì tần số giảm.
Với lớp thấm tôi < 10 mm thì tần số gia nhiệt tối ưu là
f
tối ưu
=
2
63000
δ
, (Hz)
1.2. Ưu nhược điểm của thiết bò gia nhiệt bằng tần số
1.2.1. Ưu điểm
- Phôi đồng được truyền năng lượng một cách nhanh chóng và trực
tiếp, không phải qua khâu trung gian nên có thể tự động hoá ở mức độ cao.
- Có thể dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ thông qua quá trình điều chỉnh

tần số và điện áp đầu ra.
- Tăng được năng suất lao động, giảm được lao động mệt nhọc.
1.2.2. Nhược điểm
- Cấu tạo phức tạp, hệ số công suất thấp, các thiết bò của hệ thống yêu
cầu độ chính xác cao.
- Bò giới hạn ở tần số cao và công suất lớn, chỉ sử dụng ở lò trung tần,
công suất nhỏ và vừa.
6
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP
LÀM NGUỒN GIA NHIỆT
2.1. Lý thuyết cơ sở về bộ biến tần
Bộ biến tần là một thiết bò biến đổi năng lượng điện có điện áp u
1
,
tần số f
1
thành năng lượng điện có tần số f
2
và điện áp u
2
.
Người ta chia bộ biến tần thành 2 loại:
- Bộ biến tần trực tiếp
- Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ cấu trúc tổng thể như sau
Từ sơ đồ ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U
1
, f
1
) được

chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi được biến
trở lại điện áp xoay chiều (U
2
, f
2
). Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm
hiệu suất biến tần, Song bù lại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số
f
2
không phụ thuộc vào f
1
trong một dải rộng cả trên và dưới f
1
vì tần số ra chỉ
phụ thuộc vào mạch điều khiển.
2.2. Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ
Ta dùng bộ biến tần thyistor để gia nhiệt cho dây cáp đồng.
Nó gồm 2 khâu cơ bản chính, đó là chỉnh lưu có điều khiển và nghòch
lưu độc lập.
a. Chỉnh lưu có điều khiển
Là cầu chỉnh lưu 3 pha đối xứng, gồm 6 thiristor được nạp từ nguồn
điện xoay chiều 3 pha hình sin.
Chỉnh lưu Lọc Nghòch
lưu
7
b. Nghòch lưu độc lập
Là bộ nghòch lưu có kích thích độc lập, ở hệ thống điều khiển của nó
có chứa một máy phát xung có dạng bất kỳ.
Các nghòch lưu kích thích độc lập có độ ổn đònh và điều chỉnh tần số ra
tốt, vì nó được xác đònh bởi một máy phát xung độc lập với tải và với điện áp

nạp cho mạch lực.
Có 2 loại nghòch lưu độc lập:
– Nghòch lưu áp
– Nghòch lưu dòng
Ở nay chúng ta sử dụng nghòch lưu áp.
Do nhiệt độ của phôi đồng phụ thuộc vào tần số đầu ra của bộ gia
nhiệt hay nói cách khác nó phụ thuộc vào thời điểm mở xung của T1 và T1.
Ta sẽ đi thiết kế bộ điều khiển xung cho T1 và T2.
2.2.1. Mạch biến đổi điện áp – tần số
Nguyên lý mạch biến đổi điện áp – tần số tạo nên tỷ lệ tuyến tính f
1
∼
U
1
được trình bày ở hình vẽ trong đó gồm 3 khâu: mạch khóa, mạch tích phân
và mạch so sánh, khoá chuyển mạch tạo nên điện áp
+ U
1
và – U
1
để đưa vào khâu tích phân , điều khiển khoá chuyển
mạch đó là khâu so sánh có đặc tính từ trễ.
Hình. Nguyên lý mạch biến đổi điện áp – tần số
8
Thực tế có thể thực hiện mạch U/f bằng nhiều sơ đồ khác nhau, tuy
vậy cần xác đònh chỉ tiêu: độ tuyến tính, vùng điều chỉnh trong đó tần số
xung ra tỷ lệ tuyến tính với điện áp. Sơ đồ sau đảm bảo các chỉ tiêu trên .
Mạch gồm 3 KĐTT:
A
1

là khâu tích phân, A
2
là mạch so sánh có đặc tính trễ, A
3
là khoá
chuyển mạch.
Khi điện áp U
1
< 0 điện áp đầu ra A
2
có giá trò âm, diode D
3
khoá, vì
vậy khâu tích phân có hai điện áp vào, ta có:

dt
dU
C
R
U
R
U
3
1
1
1
1
2
=+−

;
2
11
1
3
dt
CR
U
U
∫
=
0 < t ≤ T
1
Khi điện áp tích phân đạt giá trò:

42
4
23
RR
R
UU
+
−=
Mạch lật A
2
thay đổi giá trò từ âm sang dương lúc đó diode D
3
thông,
khoá A
3

khoá vì vậy điện áp vào khâu tích phân chỉ đi qua 2R
1
ta có:
9

dt
CR
U
U
∫
−=
11
1
3
2
T
1
< t ≤ T
1
+ T
2
Tại thời điểm t = T
1
+ T
2
= T điện áp tích phân được tính:

42
4
max23

RR
R
UU
+
=
Mạch so sánh A
2
lật giá trò dương sang âm diode D
3
khoá, mở khoá
cho A
3
. Quá trình được lặp lại. Thời gian tích phân được tính:

1
1
1
11
42
4
max221
4
U
K
U
CR
RR
R
UTT =
+

==

K
U
TTT
f
1
21
1
11
=
+
==
Trong đó
11
42
4
max21
422 CR
RR
R
UKK
+
==
Để đảm bảo độ chính xác mạch biến đổi cần phải thiết lập trên các
linh kiện điện tử, tụ điện và KĐTT có độ chính xác cao.
Đồ thò xung chữ nhật và tam giác là đối xứng vì ta chọn tỷ lệ điện trở
R
1
và 2R

1
, ngoài ra để khóa làm việc chắc chắn phải chọn R
1
> R
5
, kết quả ta
có:

1
114max2
42
1
8
1
U
CRRU
RR
T
f
+
==
2.2.2. Bộ điều chỉnh tần số
Bộ điều chỉnh tần số có cấu trúc như hình vẽ, gồm bộ đếm đồng bộ
CS, bộ biến đổi D/A.
Hình. Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh rần số.
10
Tần số đặt f
w
đưa vào bộ đếm CS làm tăng dung lượng đếm còn xung
đo lường thực tế f

T
đưa vào bộ đếm làm giảm dung lượng đếm. Tuy vậy cần
đặt thêm bộ lọc L để điều chỉnh dạng xung và loại trừ trạng thái không thực
khi sai lệch tần số ∆f = f
w
– f
T
nhỏ, hai xung cách nhau một khoảng thời gian
∆t < t
min
là thời gian tối thiểu để bộ đếm l+àm việc
Điện áp đầu ra bộ điều chỉnh U
R
được tính:

tfUt
T
U
U
RO
RO
R ∆
∆
==
Trong đó
U
RO
– giá trò thay đổi điện áp ra khi dung lượng bộ đếm một đơn vò.
f
∆

- sai lệch tần số giữa hai tín hiệu f
w
và f
T
Như vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh xung là khâu tích phân:

p
U
t
pf
pU
RO
R
=
∆
)(
)(
Khi f
w
= f
T
thì hệ thiết lập trạng thái ổn đònh, điện áp ra đạt giá trò
điều khiển tương ứng với lượng đặt yêu cầu.
11
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC, SƠ ĐỒ NGUYÊN
LÝ, SƠ ĐỒ LẮP RÁP CHO HỆ THỐNG
3.1. Sơ đồ cấu trúc
Đây là sơ đồ công nghệ của hệ thống gia nhiệt bằng tần số cho phôi
đồng trong quá trình chuốt.
Trong đó:

BA: là máy biến áp
CL: là khâu chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều
L: khâu lọc
NL: là khâu nghòch lưu điện áp
C.ư: vòng cảm ứng
PH: khâu hồi tiếp.
3.2. Sơ đồ nguyên lý, sơ đồ lắp ráp.
3.2.1. Bộ biến rần
Trên hình vẽ là sơ đồ mạch lực của bộ điều chỉnh nhiệt độ trong quá
trình chuốt dây cáp.
Lưới điện 3 pha, tần số 50 Hz đưa vào biến áp lò BA1 thông qua
cầu dao CD. Tụ C được dùng để chuyển mạch. Lưới điện 3 pha, tần số 50 Hz
12
đưa vào biến áp lò BA1 thông qua cầu dao CD. Tụ C được dùng để chuyển
mạch. Sơ đồ gồm một máy biến áp có điểm giữa ở phía sơ cấp, hai thyistor
T1 và T2 có anot nối vào cực dương của nguồn nuôi E, thông qua hai nửa
cuộn day sơ cấp máy biến áp. Ở đầu vào, người ta đấu nối tiếp một điện cảm
L
đ
để ngăn chặn tụ điện C phóng điện vào nguồn E khi chuyển mạch thyistor,
và cũng để hạn chế đỉnh điểm của dòng điện i
c
khi khởi động. Dây quấn sơ
cấp máy biến áp được chia thành hai nửa đều nhau, mỗi nửa có n1 vòng. Thứ
cấp máy biến áp có một cuộn dây, n2 vòng.
Hình. Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia nhiệt cho phôi đồng.
* Nguyên lý hoạt động
Khi cho xung điều khiển mở thyristor T1, điểm a được T
1
nối với

cực 0 của nguồn E. Lúc này v
c
- v
a
= u
1
= E. Do hiệu ứng của máy biến áp tự
13
ngẫu nên ta cũng có v
e
- v
c
= u
1
= E. Như vậy tụ C được nạp tới điện áp 2E,
bản cực dương ở bên phải. Bây giờ nếu cho xung điều khiển mở thyristor T2
thì nó sẽ đặt điện thế điểm e vào catôt của T
1
làm cho T
1
bò khoá lại, tụ C sẽ
bò nạp ngược để sẵn sàng khoá T
2
khi ta cho xung điều khiển mở T
1
lần sau
Khối phát xung FX cấp các xung điều khiển T1, T2 lệch pha nhau 180°. Khi
đó cuộn thứ cấp biến biến áp BA2 có dòng xoay chiều mà tần số của chúng
phụ thuộc vào nhòp điệu phát xung điều khiển mở thyristor T
1

, T
2
, cấp cho
các cuộn cảm ứng 1CƯ và 2CƯ có thể điều chỉnh số vòng bằng tay.
Ở đây ta thấy bộ phận quan trọng nhất của sơ đồ là bộ phát xung.
Thời điểm phát xung điều khiển 2 thyistor làm việc quyết đònh đến tần
số điện áp đầu ra của hệ thống.
3.2.2. Vòng cảm ứng
Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện
chiếm tới 25 ÷ 30% công suất hữu ích của thiết bò. Do vậy cần làm mát vòng
cảm ứng.
Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5 A/mm
2
.
Làm mát bằng nước chảy trong vòng cảm ứng rỗng thiết diện tròn, ovan hay
hình chữ nhật cho phép mật độ dòng điện tới 50 ÷ 70 A/mm
2
. Dây dẫn làm
vòng cảm ứng có thể rỗng vì dòng cao tần chỉ phân bố ngoài phía dây.
3.2.3. Tụ điện
Tụ điện dùng trong sơ đồ của thiết bò gia nhiệt tần số nhằm làm chức
năng mở và khoá van biến đổi, phân ly dòng 1 chiều.
Các tụ này phải là tụ chòu điện áp cao (tới 1000V) và chòu tần số cao
(tới 10kHz) phụ thuộc vào kích thước phôi đồng.
3.2.4. Các công tắc tơ
Trong thiết bò gia nhiệt cao tần, các công tắc tơ đang dùng là công tắc
14
tơ cao tần 2 cực chòu điện áp 1600V và tần số từ 500 ÷ 10000 Hz. Ở mỗi cực
có 2 tiếp điểm: tiếp điểm chính và tiếp điểm dập hồ quang.
Tiếp điểm dập hồ quang đặt trong buồng dập hồ quang và có lưới, có

cuộn dây phụ để thổi từ trường. Mỗi cặp tiếp điểm được nối song song với
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 đến tiếp
điểm dập hồ quang.
3.2.5. Dây dẫn cao tần
Đặc trưng của day 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 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 day 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 chòu dòng tới 500A, tần
số 10 kHz và điện áp tới 2kV.
15
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Trang bò điện – điện tử . Máy công nghiệp dùng chung
Vũ Quang Hồi – Nguyễn Văn Chất – Nguyễn Thò Liên Anh
Nhà xuất bản giáo dục.
[2]. Điện tử công suất
Nguyễn Bình
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
[3]. Điều chỉnh tự động truyền động điện
Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn
Nghi
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.

16