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 phứ
c 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 l
ớn 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 chi
ều
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
dt

di
= -ωLI
0
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 = ωLI
0
0
cos(ωt) = ωLI
0
0
sin(ωt+π/2)
=> u = U
0
sin(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 t
ừ:
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=
0
E : điện cảm,[C/ m
2
]; 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=
Q
P
2
2
+

với năng lượng cấp nhiệt cho kim loại:
γδ
δ
2

0
2
2
e
HP
z−
=

năng lượng phản kháng:
γδ
δ
2
0
2
2
e
H
i
Q
z−
=

trong đó bề dày thẩm thấu
H
0
– 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:

f
μ
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:
S
T
= BdH [J/m
3
]

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:

Nghịch lưu lò tôi

- 5 -


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=10000Hz,
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 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. Th
ực 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:

τ
λ
τ
ϑ
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 - 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/ m
2

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
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

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
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:


Q
= t- t
Q
là nhiệt độ kim loại tính từ điểm Quyri t
Q
,
0
C

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:
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=
2
) tính như sau:
Nghịch lưu lò tôi

- 8 -
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
= 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
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 c
ủa 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 đượ
c 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
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:
Nghịch lưu lò tôi

- 11 -
• 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.
• U
N
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 L
d
(L
d
->
∞
) nhằm san phẳng dòng đầu vào: T
d
= const.

Nghịch lưu lò tôi

- 12 -
- 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:


- Ưu nhược điểm:
Nghịch lưu lò tôi

- 13 -
+ 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 nhiề
u 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 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 sine
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 sine nhưng góc khoá

β
là min.
3. Nghịch lưu cộng hưởng

* Ở nghịch lưu dòng (hoặc áp) thì dạng dòng điên 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 v
ậy
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:
- Điệ
n 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 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.
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:


22
0
4
1
..
CR
CLL
LL
td
td
−

+
=
ω

- Xét đồ thị hoạt động của mạch: