Thiết kế phần nghịch lưu của bộ nguồn cho lò tôi thép

Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 1 -
Mc lc:
Lời nói đầu .....................................................................................................2
Chơng I: Giới thiệu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật ................. 3
1. Khái niệm ...................................................................................................3
2. ứng dụng v u nhợc điểm .......................................................................3
3. Tính chất công nghệ ...................................................................................3
4. Xác định khoảng thời gian nung ................................................................6
5. Yêu cầu chất lợng, đặc điểm nguồn cấp v cấu tạo thiết bị .....................7
Chơng II: Đề xuất các phơng án và lựa chọn phơng án8
1. Sơ đồ nghịch lu áp một pha ......................................................................8
2. Sơ đồ nghịch lu dòng một pha..................................................................9
3. Nghịch lu cộng hởng ............................................................................11
Chơng III: Tính toán mạch lực ............................................... 14
1. Lựa chọn các van......................................................................................15
2. Xét mạch bảo vệ van mạch lực tránh quá dòng, áp..................................16
ChơngIV: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển................... 18
I. Nguyên lý mạch điều khiển.....................................................................18
1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ............................................................18
2. Chức năng các khâu trong mạch điều khiển.............................................18
II. Tính toán thiết kế mạch điều khiển.......................................................20
1. Tính toán khâu phát xung điều khiển khởi động......................................20
2. Tính toán khâu chia xung v phân kênh...................................................21
3. Tính toán khâu khuếch đại sửa xung........................................................23
4. Tính toán khâu phản hồi...........................................................................25
5. Tính toán thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển ...................................26
Kết kuận.....................................................................................

Tài liệu tham khảo......................................................................





Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 2 -

Lời nói đầu
Trong những năm gân đây, sự ra đời v phát triển nhanh của các thiết
bị điện tử công suất, cùng với sự phat triển của xã hội đã tạo nên thay đổi
sâu sắc v ton diện của ngnh kỷ thuật điện nói chung va các ngnh biến
đổi điện năng nói riêng.
Các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngy cng thể hiện rõ
các u việt nổi bật nh: kích thớc gọn nhẹ, độ tác động nhanh, lm việc ổn
định với độ tin cậy cao, gia thnh hạ, cũng chính nhờ những u điểm đó
m các thiết bị bán dẫn dã v đang xâm nhập vo nhiều lĩnh vực nh:công
nghiệp dệt may, sản xuất, điện năng, sản xuất giấy, cùng với xu hớng ấy,
các nh máy luyện kim đã đa vo phơng pháp tôI thép mới v hiện đại đó
l tôI thép bằng phơng pháp cảm ứng hay còn gọi l tôI tần số cao. Công
nghệ tôI thép cảm ứng với khản năng tự động hoá cao, quá trìng điều khiển
đơn giản, đảm bảo năng suất v chất lợng cua vật tôI đã v đang đợc
ứng dụng trong thực tế, cung cấp phần no sản luợng thép đáp ứng nhu cầu
ngời tiêu dùng.
Đối với sinh viên ngnh tự đông hoá,Điện Tử Công suất l một trong
những môn học quan trọng, không thể thiếu. Để nắm vững kiến thức biết áp

dung vo thực tế biến kiến thức của thầy cô thnh kiến thức bản thân v bắt
đầu l
m quen với đồ án tạo tiền đề cho đồ án tốt nghệp sau ny.
Trong kỳ ny đề ti em đợc giao: Thiết kế phần nghịch lu của bộ
nguồn cho lò tôi thép l một đề ti không mới, có nhiều ti liệu tham khảo
v đề cập, tuy nhiên thực tế để hiểu sâu v phân tích thấu đáo các vấn đề
của ton bộ đề ti lại đòi hỏi ngời thực hiện một quá trình lm việc nghiêm
túc, miệt mi. Hon thnh đồ án ny, em xin chân thnh cảm ơn thầy
Dơng Văn Nghi, thầy Võ Minh Chính cùng các thầy giáo đã nhiệt tình
hớng dẫn, chỉ bảo. Do đây l lần đầu tiên thực hiện lm đồ án nên không
thể mắc phải sai sót, em mong đợc sự chỉ bảo tận tình của các thầy.
Em xin chân thnh cảm ơn!

H Nội tháng 5 năm 2006
Sinh viên thực hiện:
Ngô Trí Kỳ

Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 3 -

Chơng i:
Giới thiệu công nghệ v yêu cầu kỹ thuật

1. Khái niệm:

Lò tôi cảm ứng l thiết bị biến điện năng thnh nhiệt năng dựa vo
hiện tợng cảm ứng điện từ của dòng điện cao tần.

2. ứng dụng và u nhợc điểm:

Lò tôi cảm ứng hiện nay đợc sử dụng rất rộng rãi trong ngnh luyện
kim, đây l phơng pháp nhiệt luyện tiên tiến, chủ yếu dùng để tôi bề mặt.
Nó có những tính năng u việt sau :
- Có thể truyền nhiệt lợng cho vật cần tôi một cách trực tiếp, nhanh
chóng không cần qua khâu trung gian do đó có thể tiến hnh tự động hoá
sâu v hiệu suất cao. Đồng thời, do thời gian nung ngắn nên bề mặt sản
phẩm không bị oxihoá
- Có thể tiến hnh gia nhiệt trong các môi trờng khác nhau nh môi
trờng trung tính, chân không một cách dễ dng.
- Do đặc điểm của phơng pháp m chi tiết đem tôi có độ cứng bề
mặt cần thiết trong khi vẫn giữ đợc độ dẻo thích hợp trong lõi đảm bảo
đợc các yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với chi tiết đem tôi. Mặt khác, lò tôi
cảm ứng có thể tôi đợc các chi tiết có hình dạng phức tạp m các phơng
pháp khó có thể đáp ứng ví dụ nh các trục khuỷu, bánh răng, vấu...
- Do có thể tự động hoá sâu m năng suất lao động đợc nâng lên,
điều kiện lao động cũng đợc cải thiện.
Tuy nhiên, nó cũng có những nhợc điểm:
Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 4 -
- 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, ngoi 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 lm việc ở chế
độ nặng nề nhất ( đặc biệt chi tiết lớn trên 30) vì lõi không đợc hoá bền.
3. Tính chất công nghệ:

-Tính chất tải của lò cao tần l tải cảm:
Lò tôi cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tợng cảm ứng điện từ, gồm
các cuộn dây đợc cấp nguồn có tần số cao; khi cho tải đi qua l các chi tiết
bằng thép cần tôi thì chúng đợc nung nóng nhờ nguồn nhiệt sinh ra trong
chính bản thân chi tiết.
Xét một cuộn dây quấn xung quanh
lõi thép, khi đặt vo 2 đầu của cuộn dây
ny một điện áp xoay chiều hình sine sẽ
lm phát sinh một dòng điện có cờng độ
i đi qua cuộn cảm:
i = I
0
.sin(t)
Trong cuộn cảm xuất hiện một suất
điện động tự cảm:
e = -L
dt
di
= -LI
0
0
cos(t)
Giả thiết điện trở R của cuộn cảm bằng không, khi đó ta có định luật
Ôm cho đoạn mạch sẽ l:
u = R.i-e = LI
0
0
cos(t) = LI
0

0
sin(t+/2)
=> u = U
0
sin(t+/2)
Nh vậy hiệu điện thế ở hai đầu cuộn cảm (không có điện trở) biến
thiên điều ho cùng tần số góc với dòng điện qua cuộn cảm v sớm pha hơn
dòng điện /2
Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 5 -
- Để nghiên cứu quá trình truyền năng lợng điện từ từ nguồn điện
vo thanh kim loại ngời ta sử dụng phơng trinh Macxoel trong trờng
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 cờng độ từ trờng, [H]
D=

0
E : điện cảm,[C/ m
2
]; E cờng độ điện trờng, [V/m]
j =E = E/ - mật độ điện dẫn
=1/ - điện trở suất của kim loại
- điện dẫn suất của kim loại
Qua biến đổi ta đợc năng lợng cung cấp cho kim loại:
S=
Q
P
2
2
+

với năng lợng cấp nhiệt cho kim loại:


2
0
2
2
e
HP
z
=

năng lợng phản kháng:

2
0
2
2
e
H
i
Q
z
=

trong đó bề dy thẩm thấu
H
0
cờng độ từ trờng ở bề mặt kim loại.
- Phơng pháp tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần đợc dùng khá phổ
biến trong các xởng nhiệt luyện. Đây l một dạng nguồn nhiệt đợc sinh
ra trong bản thân chi tiết nhờ dòng điện cảm ứng tập trung ở bề mặt. Vì vậy,
Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 6 -
trong một lớp mỏng ở bề mặt lợng nhiệt toả ra rất lớn, nung bề mặt chi tiết
với một tốc độ rất cao. Nhiệt lợng đợc phát sinh chủ yếu do hai nguyên
nhân:
+ Xuất hiện dòng Fucô
: đây l các dòng điện khép kín ( có chiều
ngợc với chiều của dòng kích thích) do đó đợc biến đổi hon ton thnh
nhiệt năng. Trên thực tế, tần số đợc sử dụng để nhiệt luyện thờng từ

500Hz
ữ
1MHz. Tần số cng cao thì chiều sâu nung cng nhỏ. Chiều sâu
của lớp mỏng tiêu thụ 86,5% lợng nhiệt cung cấp đợc gọi l chiều sâu
xâm nhập của dòng cảm ứng, đợc tính bằng công thức:
=503
f


(m)
+ Xuất hiện đờng cong từ trễ
: dới tác dụng của từ trờng ngoi với
cờng độ H[A/m], trong vật liệu dẫn điện xuất hiện cảm ứng từ (mật độ từ
thông) B[T]. Khi từ trờng biến thiên, sẽ tạo nên vòng từ trễ v diện tích
của vòng từ trễ chính l năng lợng điện từ đợc chuyển thnh nhiệt năng:
S
T
= BdH [J/m
3
]
S
T
thể hiện lợng nhiệt đợc sinh ra trong một đơn vị thể tích vật liệu
dới tác động của điện từ trờng biến thiên.
- Trong quá trình tôi, chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng bị thay
đổi do giá trị điện trở suất v độ thẩm từ thay đổi theo nhiệt độ. Khi
nung từ nhiệt độ thờng tới nhiệt độ Quyri (7680C), điện trở suất tăng
mạnh, còn độ thẩm từ gần nh không đổi. Sau nhiệt độ Quyri điện trở suất
tăng chậm lại, độ thẩm từ nhanh chóng giảm xuống tới =1, cờng độ nung
giảm mạnh, do đó, trên thực tế khi nung thép phải tính toán riêng cho hai

giai đoạn nung ( dới v trên điểm Quyri). Chiều sâu xâm nhập của dòng
cảm ứng đối với thép cacbon thấp nh sau:

Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 7 -


Dới 700
0
C:
f
2
1
=

[cm]
Trên 800
0
C:
f
60
2
=

[cm]
Đối với vật liệu l thép khi nung với nguồn có tần số f=10000Hz,
nhiệt độ nung thay đổi từ 20

ữ
100
0
C thì thay đổi từ 10.10
-6
ữ
130.10
-
6
(

m) v thay đổi từ 60
ữ
1(H/m). Khi đó lớp thấm tôi cung thay đổi
=0,22
ữ
6,7(mm). Với công suất tôi l 45kW thì thích hợp cho việc tôi các
vật có kích thớc vừa v nhỏ khoảng 20 cm với lớp tôi từ 0,5-6 mm nh
các bánh răng, trục khuỷu...
Trong trờng hợp ton bộ lớp tôi đợc 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 vo tần số m còn phụ
thuộc vo bản chất của vật liệu tôi, nhiệt độ nung v tốc độ nung trong
khoảng chuyển biến pha, nói chung ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri. Để đảm
Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ

- 8 -
bảo chất lợng lớp tôi với thông số đã xác định l 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 phơng pháp tính toán ( chủ yếu l thực
nghiệm) giả định rằng công suất riêng, tính cho một đơn vị bề mặt l 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 ny thờng
nhỏ hơn chiều sâu lớp tôi bề mặt (


2
) nhiều lần, nên có thể coi rằng nhiệt
lợng sinh ra từ bề mặt đợc truyền vo trong bằng dẫn nhiệt. Vì vậy sử
dụng phơng trình mô tả quá trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt không đổi (từ
bề mặt) để tính toán, ta đợc:




a
x
ierfc
aq

x
2
2
=

Trong đó:
= t-t
đ
, nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu t
đ
,
0
C
- 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 - l 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/ m
2

iercf(z) ký hiệu tích phân hm Krampa
Khi đó nhiệt độ trên bề mặt (x=0) tính theo công thức sau:
Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 9 -

aq
M
2
=

Từ đó thời gian nung bề mặt chi tiết giai đoạn một đợc tính l:
2
2
2








=
qa



b, Xác đinh thời gian nung giai đoạn hai:
Đây l giai đoạn nung từ nhiệt độ Quyri đến nhiệt độ tôi. Do độ thẩm
từ giảm mạnh, chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng đợc tăng lên tơng ứng
với chiều sâu lớp tôi. Do đó, để tính toán ta sử dụng phơng trình vi phân

mô tả quá trình dẫn nhiệt với nguồn nhiệt phân bố đều trong ton lớp tôi bề
mặt. Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ nh sau (với x


2
):
() ()

+
















+
+= 1
2
1
2
4
2
2
2

2
2
2
2








a
x
Fx
a
x
Fx
q
Q

Trong đó:

Q
= t- t
Q
l nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri t
Q
,
0

C

2
chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng, m
Hm F(z) tính nh sau:
F(z) =
2
1
2
1
1
2
z
e
z
erfz
z

+






+


erfz Hm Krampa theo z
Khi đó:

Nhiệt độ tại bề mặt chi tiết (x=0) trong giai đoạn hai tính nh sau:















= 1
2
2
22





a
F
q
QM

Nhiệt độ tại biên giới trong của lớp tôi (lấy x=
2
) tính nh sau:
Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 10 -















= 1
2
22

a
F
q
QT

Dựa trên các công thức ny v bằng phơng pháp gần đúng liên tục
(cho giá trị

, tính
Q

v t, nếu sai số lớn thì chọn lại

v lặp lại phép tính)
có thể tính thời gian nung từ điểm Quyri đến nhiệt độ tôi của bề mặt chi tiết
v của giới hạn trong lớp tôi. Cuối cùng thời gian nung tổng thể bằng tổng
thời gian nung của giai đoạn một v hai
5. Yêu cầu chất lợng, đặc điểm nguồn cấp và cấu tạo thiết bị

- Chất lợng của thép đợc đem tôi đợc đánh giá qua các thông số
Độ dy lớp đợc tôi, độ cứng, độ dẻo nó phụ thuộc vo nhiều yếu tố
nh:
+ Đặc điểm của thép đem tôi: thnh phần cacbon, hình dạng, kích
thớc...
+ Thời gian tôi, thời gian lm nguội
+ Đặc điểm của nguồn (tần số, biên độ, công suất...), môi chất lm
nguội.
- Đặc điểm của nguồn điện cấp cho lò tôi:
Bộ nguồn nghịch lu đảm bảo cung cấp đủ năng lợng cho lò khi có

tải tức lúc đang tôi v phải đảm bảo lm việc đợc lúc không tải khi chi tiết
đem tôi di chuyển hết ra khỏi ống vòng dây của thiết bị nung.
Do đặc điểm lm việc của lò tôi l không tải thờng xuyên lặp lại nên
nghịch lu đòi hỏi phải lm việc đợc 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 l: nguồn phát tần số v cuộn
cảm ứng, ngoi ra còn có các bộ phận để lm nguội.
+ Nguồn phát tấn số cao có hai loại chính
Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 11 -
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 thơc 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 vo hình dáng, kích thớc
của chi tiết, phơng pháp nung cũng nh công suất của thiết bị v yêu cầu
về năng suất cần đạt.

Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 12 -
Chơng ii:
Đề xuất các phơng án v lựa chọn phơng án
Do đặc thù của lò tôi cảm ứng, nên ta chọn nghịch lu một pha cho
phần nghịch lu của bộ nguồn lò tôi thép. Ta sét lần lợt các sơ đồ sau:
1. Sơ đồ nghịch lu áp một pha

Đặc điểm: nguồn đầu vo l nguồn áp, nên có tụ C (C->

) mắc song
song với điện trở nguồn. Do vậy nguồn trở thnh nguồn hai chiều: phát
năng lợng cho tải đồng thời tiếp nhận năng lợng của tải trả ngợc về,
đợc tích luỹ trong tụ C, thông qua các diode mắc song song ngợc với các
van động lực chính.
Xét đồ thị hoạt động của mạch:
- Điện áp nghịch lu có dạng xung vuông chữ nhật, có tần số f
N
tạo
ra nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 v 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

lu f
N
tuỳ ý.
- Ưu nhợc điểm:
+ Ưu điểm:
Điều chỉnh đợc tần số f
N

Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 13 -
Các van chủ đạo sử dụng l các van điều khiển hon ton do
đó dễ điều khiển đóng mở các van.
+ Nhợc điểm:
Số lợng van sử dụng khá nhiều
Công suất bộ biến đổi (BBĐ) phụ thuộc vo công suất của van
nên bị hạn chế.
U
N
có dạng xung chữ nhật nên khị phân tích Furie sẽ xuất hiện
nhiều thnh phần sóng điều ho bấc cao do đó lm giảm hiệu suất của BBĐ

2. Sơ đồ nghịch lu dòng một pha

- Đặc điểm: Nguồn đầu vo l nguồn dòng, do đó nguồn đợc nối nối
tiếp với L
d
(L
d
->

) nhằm san phẳng dòng đầu vo: T
d
= const.

Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 14 -
- Dòng điện nghịch lu có dạng xung chữ nhật, có tần số f
N
tạo ra
nhờ đóng mở các cặp van T1,T2 v 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:


- Ưu nhợc điểm:
Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 15 -
+ Ưu điểm:
Điều chỉnh đựơc tần số f
N

Van sử dụng l van Tiristor nên có công suất lớn hơn rất nhiều
so với sơ đồ trên (sử dụng van điều khiển hon ton)
Chỉ cần quan tâm đến vấn đề mở van, vì khi mở van cặp van
ny sẽ lm cặp van kia đóng lại
+ Nhợc điểm:
Không lm việc đợc ở chế độ không tải
Dòng nghịch lu có dạng xung chữ nhật nên chứa nhiều thnh
phần sóng điều ho bậc cao lm giảm hiệu suất BBĐ.
Dạng điện áp v góc khoá
_

góc khoá nghịch lu thay đổi
khi giá trị của điện cảm đầu vo L
d
thay đổi. Cụ thể:
o L

d
=

=> i
d
= I
d
= const, dòng nghịch lu có dạng xung chữ
nhật. V có u
t
biến thiên hm mũ v góc khoá

l max.
o L
d
<

nhng vẫn đảm bảo i
d
liên tục. Lúc ny i
N
có dạng nhấp
nhô do vẫn chứa các sóng điều ho bậc cao. Dạng điện áp gần sine hơn
nhng góc khoá

giảm đi.
o L
d
<

dòng bị gián đoạn. Khi đó trong mạch có thể xảy ra
cộng hởng L,C điện áp sẽ trở nên sine nhng góc khoá

l min.
3. Nghịch lu cộng hởng

* ở nghịch lu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điên i
N
(hoặc điện áp
u
N
) đều có chứa thnh phần sóng điều ho bậc cao. Vì vậy sẽ lm giảm hiệu
suất của BBĐ. Để tăng hiệu suất của BBĐ ta xét nghịch lu cộng hởng.
* 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 hởng trong mạch. Nhng do tải thay đổi
liên tục trong quá trình tôi, nên ta không thể thực hiện bù đủ đợc, do vậy
Nghịch lu lò tôi SV:
ngô trí kỳ


- 16 -
m mạch chỉ tiệm cận tới dao động cộng hởng. Sau đây ta xét các mạch
dao động cộng hởng cơ bản:
a, Sơ đồ nghịch lu cộng hởng nối tiếp:
- Do điện cảm tải tạo nên nguồn dòng, bộ nghịch lu phải l nghịch
lu nguồn áp. Ta xét sơ đồ cầu: