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

Chương 1:Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật
1.1 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 trung tần.
1.2 ứng dụng và ưu nhược điểm:
1.2.1. Ứng dụng khi sử dụng lò tôi thép
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.
1.2.2 Nhược điểm
Page 1
- 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 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 các 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 = I
0
.sin(ωt)
Trong cuộn cảm xuất hiện một suất điện động tự cảm:
e = -L = -ωLI0
0
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 = ωLI0
0
cos(ωt) = ωLI0
0
sin(ωt+π/2) => u = U
0
sin(ωt+π/2)
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.
Page 2
dt
di
1.3.2 Quá trình truyền năng lượng trong lò.
- 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 + ; div H =0;
rot E = - ; div E=0;
trong đó: B=mH : độ từ cảm,[T]; H – cường độ từ trường, [H]
D=e
0
E : điện cảm,[C/ m
2
]; 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:
S=
với năng lượng cấp nhiệt cho kim loại:
năng lượng phản kháng:
Page 3
t
D
∂
∂
t
B
∂
∂
Q
P
2
2
+
γδ

δ
2
0
2
2
e
HP
z−
=
trong đó δ - bề dày thẩm thấu
H
0
– 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 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:
δ=503 (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:
S

T
= BdH [J/m
3
]
Page 4
γδ
δ
2
0
2
2
e
H
i
Q
z−
=
÷
f
µ
ρ
S
T
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:
Dưới 700
0
C:
f
2
1
=
δ
[cm]
Trên 800
0
C:
f
60
2
=
δ
[cm]
Đối với vật liệu là thép khi nung với nguồn có tần số f =30000 Hz, nhiệt độ nung
thay đổi từ 20
÷
100
0
C thì ρ thay đổi từ 10.10
-6
÷
130.10
-6

(
Ω
.m) và µ 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 kích thước vừa và nhỏ khoảng ϕ20 cm với
lớp tôi từ 0,5 - 6 mm như các bánh răng, trục khuỷu
Page 5
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.
1.3.4. Chiều sâu lớp tôi.
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 f =30000 Hz 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/m
2
).
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 δ
1

trong giai đoạn này thường nhỏ hơn
chiều sâu lớp tôi bề mặt (
≈
δ
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:
Trong đó:
ϑ = t-t
đ
, nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu t
đ
, (
0
C)
λ
- hệ số dẫn nhiệt của kim loại, (W/mK)
a - hệ số khuếch tán nhiệt ( dẫn nhiệt độ ) của kim loại, (m
2
/s)
x - là khoảng cách kể từ bề mặt, (m)
τ
- thời gian, (s)
Page 6
τ
λ
τ
ϑ
a

x
ierfc
aq
x
2
2
=
q - công suất riêng ( nhiệt suất tạo ra trong chi tiết trên một đơn vị bề mặt của
nó), (W/ m
2)
iercf(z) – ký hiệu tích phân hàm Krampa
Khi đó nhiệt độ trên bề mặt (x=0) tính theo công thức sau:
π
τ
λ
ϑ
aq
M
2
=
Từ đó thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn một được tính là:
2
2
2









=
qa
ϑλπ
τ
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 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
≤
δ
2
):
( ) ( )



















−







 −
−+








−








 +
+= 1
2
1
2
4
2
2
2
2
2
2
2
ττ
λ
δ
δ
δ
δ
δ
ϑ
a
x
Fx
a
x
Fx
q
Q

Trong đó:
ϑ
Q
= t- t
Q
là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri t
Q
,

(
0
C)
δ
2
– chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, (m)
Hàm F(z) tính như sau:
F(z) =
2
1
2
1
1
2
z
e
z
erfz
z
−
+







+
π
erfz – Hàm Krampa theo z
Khi đó:
Page 7
Nhiệt độ tại bề mặt chi tiết (x=0) trong giai đoạn hai tính như sau:






−








= 1
2
2

22
τ
δ
λ
δ
δ
a
F
q
QM
Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x= δ
2
) tính như sau:






−








=
1

2
22
τ
δ
λ
δ
δ
a
F
q
QT
Dựa trên các công thức này và bằng phương pháp gần đúng liên tục (cho giá trị
τ
, tính
Q
ϑ
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.
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 tải 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:
Page 8
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 cảm ứng, 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 sâu hoặc để
nấu chảy kim loại
2. Máy phát tần số từ 10.000 – 100.000 Hz dùng chủ yếu để nung các chi tiết có
kích thước trung bình.
+ 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.
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 bộ nghịch lưu
của bộ nguồn lò tôi thép. Ta xét các sơ đồ sau:
2.1.1. Sơ đồ nghịch lưu áp một pha.
Page 9
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:

Page
10
- Điện áp nghịch lưu có dạng xung vuông chữ nhật, có tần số f
N
tạo ra nhờ đóng mở
các cặp van T1, T2 và T3, T4 một cách có chu kỳ: f
N
= f
đk
Do đó khi thay đổi tần số điều khiển f
đk
có thể thay đổi tần số nghịch lưu f
N
tuỳ ý.
* Ưu, nhược điểm:
+ Ưu điểm:
. Điều chỉnh được tần số f
N
.
. 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.
Page
11
. U
N
có dạng xung hình chữ nhật nên khi phân tích Furier sẽ xuất hiện nhiều thành
phần sóng điều hòa bậc cao, do đó sẽ làm giảm hiệu suất của bộ biến 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 tiếp với L
d
(L
d
->
∞
) nhằm san phẳng dòng đầu vào: T
d
= const.
- Dòng điện nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, có tần số f
N
tạo ra nhờ đóng mở các
cặp van T1,T2 và T3,T4 một cách có chu kỳ. Do đó có thể thay đổi f
N
theo tần số
điều khiển f
đk
.
- Xét đồ thị hoạt động của mạch:
Page
12
* Ưu, nhược điểm:
+ Ưu điểm:
. Điều chỉnh đựơc tần số f
N
.
. 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.
Page
13
. Dạng điện áp và góc khoá
β
- góc khoá nghịch lưu thay đổi khi giá trị của điện
cảm đầu vào L
d
thay đổi. Cụ thể:
o L
d
=
∞
=> i
d
= I
d
= const, dòng nghịch lưu có dạng xung chữ nhật. Và có
u
t
biến thiên hàm mũ và góc khoá
β
là max.
o L
d
<

∞
nhưng vẫn đảm bảo i
d
liên tục. Lúc này i
N
có dạng nhấp nhô do
vẫn chứa các sóng điều hoà bậc cao. Dạng điện áp gần sin hơn nhưng góc khoá
β
giảm đi.
o L
d
<
∞
dòng bị gián đoạn. Khi đó trong mạch có thể xảy ra cộng hưởng
L,C điện áp sẽ trở nên sin nhưng góc khoá
β
là min.
2.1.3 Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng.
* Ở nghịch lưu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điện i
N
(hoặc điện áp u
N
) 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:
Page
14
. 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.
. 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 bài 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:
Page
15
- Điện áp nghịch lưu dạng xung chữ nhật, dòng điện trên tải gần sin 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 C
0
. Khi đó điện áp
u

c
đặt lên T1,T2 làm chúng bị khoá chắc chắn.
- Tại thời điểm
2
θθ
=
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 C
0
. 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.
Page
16
- Sơ đồ sử dụng van Tiristor nên công suất của 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:

22
0
4
1

CR
CLL
LL
td
td
−

+
=
ω
- Xét đồ thị hoạt động của mạch:
Page
17
- Do hiện tượng cộng hưởng nên u
N
, i
N
có dạng gần sin 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 f
0
< f
N
- tần số nghịch lưu, để đảm bảo các van được khoá chắc chắn.
- Nghịch lưu cộng hưởng song song sử dụng nguồn dòng nên không thể làm việc
được ở chế độ không tải.
Page
18
* Về vấn đề khởi động:
Nghịch lưu cộng hưởng song song được khởi động bằng mạch khởi động
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 dần tần số và mạch sẽ được
sử dụng hiệu quả nhất về mặt phát huy công suất trên tải khi tần số làm việc ở trong
một khoảng nhất định có thế xác định trước. Mặt khác nghịch lưu cộng hưởng nối
tiếp có thể làm việc ở chế độ giới hạn f = f
0
, 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 cộng hưởng
nối tiếp ( cộng hưởng nguồn áp ) để thiết kế phần nghịch lưu cho bộ nguồn 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
f
ra
= 30 kHz
Page
19
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
(
Ω
m
2
/m).
φ20
φ8

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
δ
x
−

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.
δ
= 5030
f
µ
ρ
δ
:
Ω
cm
2
/cm.
Với không khí : μ = 1 =>
δ
= 5030
f
ρ
= 5030

7
180.10
30000
−
= 0,12(cm)
2.2.2. Tính điện trở của lớp dẫn điện bề mặt chi tiết tôi:
R =
s
l
ρ
=
h
d
δ
ρ
'Π
Page
20
Lấy theo đơn vị thực tế : R =
ω
Π
Π
2
'
h
d
Với d’ = d -
δ
= 20 - 0.213 = 19.787 cm
=> R =

2 7
3,14.19,787
4 .180.10 .30000
24
−
Π
= 12,03 (
Ω
)
2.2.3. Tính cảm kháng của cuộn dây:
Điện cảm của cuộn ây được tính theo công thức:
L =
h
Dn
2
) (Π
.10
-9
Với n: số vòng dây, h: chiều cao cuộn dây.
=> L =
4,2
)3.3.14,3(
2
.10
-9
= 332,76.10
-9

(H)
2.2.4. Biến đổi sơ đồ:

Theo phân tích ở trên, hệ thống coi hệ thống như 1 MBA lý tưởng, với tỉ số k =
3:1
Sơ đồ thay thế
I 2
R
I 1
L
Quy đổi MBA:
Page
21
R’ = k
2
.R = 9R = 9.12,03 = 108,27 (
Ω
)
Biến đổi :
Ta có : R” +j
ω
L’ =
LjR
LjR
ω
ω
+'
)'.(
Thay số ta được : R” + j
ω
L’ =
9
9

108,27.( 2 .30000.332,76.10 )
108,27 ( 2 .30000.332,76.10 )
j
j
−
−
Π
+ Π
Như vậy R” = 3,7.10
-6
(
Ω
), L’ = 1,06.10
-7
(H)

2.2.5. Chọn mạch công suất phù hợp :
Theo đề bài P
tôi
= 50 kW, mà P
tôi
= I
2
.R nên :
I
2
=
R
P
tôi

=
4
5.10
12,03
= 64,5 (A)
Page
22
=> I
1
=
3
2
I
= 21,5 (A)
Ta thấy công suất tôi của lò lớn, dòng tải lớn nên ta dùng sơ đồ nghịch lưu cộng
hưởng nối tiếp với máy biến áp cách ly phối hợp dòng:
Sơ đồ mạch lực
2.2.6. Tính toán chọn van:
Chỉnh lưu cầu 3 pha tạo ra nguồn một chiều có trị số:
E = 2,34 . 400 = 936 (V)
U
RLC
= U
R
= I
1
.R” = 21,5. 3,7.10
-6
= 8.10
-5

(V)
Page
23
Tỉ số máy biến áp : K=
5
8
8.10
8,56.10
936
RLC
U
E
−
−
= =
Dòng nghịch lưu : I
n
= K x I
1
= 8,56.10
-8
.21,5 = 1,84.10
-6
(A)
Dòng cực đại qua van : I
max
=I
n
2
(A)

Chọn hệ số dự trữ K
i
= 2 thì dòng định mức của van là :
I
van
= K
i
.I
max
= 2.1,84.10
-6
.
2
= 5,2.10
-6
(A)
Điện áp ngược cực đại van phải chịu là :
U
ngmax
= E = 936(V)
=> U
van
= K
i
. U
ngmax
= 2.936 = 1872 (v)
2.2.7. Bảo vệ chọn van :
Ta dùng mạch dập RC mắc song song với IGBT để chống quá áp:
C 2

R 2
Theo kinh nghiệm thường lấy C=0.1µF đến 2 µF
R= 10Ω đến 100Ω
Van có dòng càng lớn thì C càng lớp và R càng nhỏ .
Ta lấy C
2
=10Ω
R
2
=0.25µF
Page
24
Chương 3 : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển
3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển.
3.1.1. Sơ đồ mạch điều khiển.

Khởi động
P
LL
Chia xung
IGBT
Drive
Mạch lực
3.1.2.Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển.
Đầu tiên khâu phát xung điều khiển khởi động phát ra xung có tần số f
đk
, xung này
được đưa vào khâu phân chia xung để tạo ra xung có tần số bằng tần số của nghịch
lưu f
N

. Sau đó xung được phân làm 2 kênh để đi vào các IGBT Drive và cho ra xung
điều khiển quá trình đóng cắt các van.
Sau khi các van làm việc, tải bắt đầu hoạt động, dòng điện tải có dạng hình sin.
Dòng nghịch lưu qua khâu phản hồi để tạo tín hiệu phản hồi điện áp. Tín hiệu phản
hồi làm 2 nhiệm vụ:
+ Dùng làm tín hiệu chặn xung điều khiển của khâu khởi động.
+ Dùng làm tín hiệu so sánh cho bộ dò pha của hệ thống PLL.
Như vậy sau khi được khởi động mạch sẽ hoạt động với tín hiệu hồi từ mạch lực về.
Page
25

Khâu phản hồi