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 tựđộng 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 giữđược 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 thểđáp ứng ví dụ như các trục khuỷu, bánh răng, vấu .
- Do có thể tựđộng 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:- 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 đủđộ bền tĩnh đối với những chi tiết làm việc ở
chếđộ 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:
di
e = -L = -ωLI0 0 cos(ωt)
dt
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) = ωLI0 0 sin(ωt+π/2)
=> u = U0sin(ωt+π/2)Như vậy hiệu điện thếở 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:
∂D
rot H = j + ; div H =0;
∂t
∂B
rot E = - ; div E=0;
∂t
trong đó: B=H : độ từ cảm,[T]; H – cường độ từ trường, [H]
2
D=0E : điện cảm,[C/ m ]; E – cường độđiện trường, [V/m]
j =E = E/ - mật độđiện 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:
2 2
S= P +Q
với năng lượng cấp nhiệt cho kim loại:
−2z
2 e δ
P H 0
2γδ
năng lượng phản kháng:
−2z
Q i H 02 e δ
2γδ
trong đó bề dày thẩm thấu
H0 – cường độ từ trường ở bề mặt kim loại.
41 trang |
Chia sẻ: banmai | Lượt xem: 2966 | Lượt tải: 3
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Nghịch lưu lò tôi, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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 Q với
đầu vào D. Xung điều khiển được đưa vào đầu vào xung nhịp C của D Flip-
Flop.
Chọn D Flip-Flop là IC 4013
3. Tính toán khâu khuếch đại sửa xung
a, Mạch vi phân:
- Ta sử dụng khâu vi phân đơn giản dùng mạch R-C. Do xung
đi qua Flip-Flop có thể bị méo dạng xung nên cần có phần hiệu chỉnh điện
áp xung ở sau, vì vậy ở đây ta chọn mạch vi phân như sau:
Khi đó ta có:
ura= RC.duvao/dt
b, Mạch khuyếch đại:
- Thiết kế máy biến áp xung thực hiện chức năng khuếch đại tạo
xung và cách ly điện áp giữa mạch điều khiển và mạch lực.
- Tính toán biến áp xung
o Chọn vật liệu làm lõi sắt: biến áp xung luôn phải làm việc với tần
số cao do đó các lõi thép thích hợp với tần số 50Hz (lõi làm từ các lá thép
Nghịch lưu lò tôi
- 29 -
kỹ thuật bình thường) không thể đáp ứng được, mà phải sử dụng lõi sắt
ferit. Ở đây lõi sắt bị từ hóa một phần.
o Tính toán thể tích lõi sắt:
V=
HB
UtIUK xxba
ΔΔ
Δ
.
.... 22
trong đó:
+ Kba là hệ số máy biến áp Kba=2
+ U2 là điện áp điều khiển U2= 1,6V
+ I2 là dòng điều khiển I2= 100mA
+ ΔUx là độ sụt áp cho phép của xung điều khiển ΔUx= 0,2V
+ tx là độ rộng xung điều khiển, vì xung là đối xứng hay khoảng
không có xung bằng khoảng có xung nên ta có:
tx =
xf2
1 =
10000*2
1 = 50.10-6 s
Do chế độ của lõi sắt làm việc ở miền từ hoá một phần nên theo đồ
thị ta chọn:
ΔB = 0.2 T và ΔH =30 A/m.
Thay vào công thức ta có :
V =
30.2,0
2,0.10.50.10.100.6,1.2 63 −−
V = 0,53.10-6(m3)
Tra bảng các loại lõi sắt làm việc trong miền từ hóa một phần ta chọn
lõi sắt có dạng trụ với các thông số sau:
+ Loại lõi sắt 2213
+ Đường kính ngoài 22mm
Nghịch lưu lò tôi
- 30 -
+ Đường kính trong 13mm
+ Diện tích lõi sắt Slõi = 0,635 cm2
+ Diện tích cửa sổ từ Scửa sổ = 0,297 cm2
Ta cũng tính được các thông số của cuộn sơ cấp máy biến áp như
sau:
+ Điện áp: U1 = U2.Kba = 1,6.2 = 3,2 V
+ Dòng điện: I1 = I2/Kba = 100/2 = 50 mA
Hình dạng và kích thước lõi sắt như sau:
8
2213
Tính toán số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp xung:
W1=
ba
x
SB
tU
.
.1
Δ = 4
6
10.635,0.2,0
10.50.2,3
−
−
= 14 (vòng)
W2= W1/Kba =14/2 = 7 (vòng)
o Biến áp xung cần đảm bảo nhân thành nhiều xung để điều khiển
nhiều van ( 2 van) cùng nhóm mở cùng một lúc nên cần thiết kế biến áp
xung nhiều cuộn thứ cấp, ở đây biến áp xung cấn có 2 cuộn thứ cấp. Hai
cuộn thứ cấp này có cấu tạo hoàn toàn tương tự nhau nên ta không cần tính
toán thêm nữa. Như vậy khâu khuếch đại tạo xung có cấu tạo như sau:
Nghịch lưu lò tôi
- 31 -
- Lựa chọn các van:
Xung điều khiển là dạng xung đơn nên ta lựa chọn mạch trên làm
mạch khuếch đại tạo xung (sử dụng biến áp xung).
o Hai bóng T1 và T2 đều chọn theo điều kiện điện áp như nhau là
chịu được trị số nguồn Ecs=15V. Về dòng điện, bóng T1 chọn theo dòng
điện đi qua cuộn sơ cấp của biến áp xung: IC1= I1 = 50 mA.
Từ đó ta chọn bóng T1 là: ZTX300 có các thông số sau:
+ Ic max = 0,5 (A) = 500 (mA)
+ Uce max =25 V
+ β min = 50
+ Pc max = 0,3 (W)
o Dòng qua bóng T2 chính là dòng qua bazo T1 và bằng:
IC2=Ib1 = IC1/ 1β = 50/50 =1 (mA)
Từ đó ta có thể chọn bóng T2 là: BC108 có các thông số sau:
+ Ic max = 0,1 (A) = 100 (mA)
+ Uce max =20 V
Nghịch lưu lò tôi
- 32 -
+ β min = 110
+ Pc max = 0,3 (W)
o Vì độ rộng xung điều khiển nhỏ hơn nhiều chu kỳ phát xung nên
công suất phát nhiệt trên van không đáng kể và không phải quan tâm đến
vấn đề này khi tính toán. Điện trở R1 chọn từ điều kiện mở bão hòa tốt cho
T1, T2 đồng thời không gây quá tải cho tầng trước của khuếch đại xung:
Is
ERI
U CS
V
V
max1
21
1
max
max
.
ββ≤≤
trong đó:
+ Uvmax là điện áp lớn nhất van chịu được: Uvmax = 25 V
+ Ivmax là dòng điện lớn nhất van chịu được: Ivmax = 0,5 A
+ 1β , 2β lần lượt là hệ số khuếch đại của T1, T2: 1β =50, 2β =110
+ Ecs là điện áp nguồn cung cấp: Ecs = 15V
+ s là hệ số bão hòa s= 1,2 – 1,5 lấy: s=1,2
Từ đó ta đựơc:
10.752,1
15.11050
5,0
25
31 .
.
−≤≤ R
50 ≤ R1 ≤ 917.103 (Ω )
=> Chọn R1= 500 kΩ
o Diode D1 có tác dụng bảo vệ cho các tranzitor, chức năng của nó
là loại bỏ phần điện áp âm đi vào khuếch đại xung. Diode D2 nhằm chống
quá áp gây hỏng các bóng khi chúng chuyển từ dẫn sang khóa do ảnh
hưởng của sức điện động tự cảm trên cuộn dây biến áp xung.
Từ đó ta có thể chọn các diode như sau:
* Diode D1 và D2 là loại 1N4448 có các thông số sau:
Nghịch lưu lò tôi
- 33 -
+ Điện áp ngược: Ung=20 V
+ Dòng điện max: Imax=100mA
Như vậy ta đã thiết kế xong khâu khuếch đại tạo xung.
* Để điều chỉnh được xung đầu vào khâu này nhằm đạt được xung
theo yêu cầu, ta thiết kế thêm bộ phận khuếch đại điện áp sử dụng khuếch
đại thuật toán mắc theo kiểu khuếch đại không đảo. Nhằm để điều chỉnh
điện áp nên ta thiết kế mạch khuếch đại có thể thay đổi được hệ số khuếch
đại bằng cách dùng biến trở R3 như hình vẽ:
Hoặc ta cũng có thể sử dụng diode ổn áp có Uổn áp= 6 (V) =U1. Từ đó
ta chọn loại diode ổn áp MMSZ6V2T1 có các thông số:
+ Điện áp: Uổn áp= 6,2 (V)
+ công suất: P= 1 (W)
Ta sẽ sử dụng diode ổn áp ở mạch phản hồi để tạo ra xung phù hợp
cho vào khâu khuếch đại tạo xung.
4. Tính toán khâu phản hồi:
a, Biến đổi tín hiệu bằng biến dòng:
- Ta sử dụng biến dòng để tạo ra tín hiệu áp phản hồi điều khiển
mạch. Chọn biến dòng loại AMC2-300 có các thông số:
+ Dòng vào: Ivao=300 A
Nghịch lưu lò tôi
- 34 -
+ Dòng ra: Ira = 5 A
- Tín hiệu ra khỏi biến dòng là tín hiệu áp hình sin, để tạo ra tín hiệu
xung điều khiển ta cho tín hiệu này qua mạch so sánh sử dụng Comparator
loại LM119 có các thông số sau:
+ Nguồn cấp: UCC= ± 15V
+ Dòng vào lớn nhất: Imax= 11,5 mA
+ Công suất: P = 500 mW
+ Nhiệt độ làm việc: t0C = 0 – 70 0C
- IC này gồm có 2 con trong một vỏ nên rất thuận tiện cho việc thiết
kế mạch điều khiển:
b, Tạo tín hiệu chặn xung điều khiển:
- Để tạo tín hiệu chặn xung điều khiển ta thực hiện như sau:
Nghịch lưu lò tôi
- 35 -
+ Khi có tín hiệu điện áp (dạng sin) phản hồi thì nó được chỉnh lưu
qua mạch cầu Diode và được lọc bằng tụ. Nó tạo thành dòng chảy qua cực
gốc phát của Trazitor làm cho Tranzitor dẫn ở trạng thái bão hòa, do đó tín
hiệu Q sẽ ở mức thấp “0” logic ( VQ= 0,6 V). Ngược lại khi không có tín
hiệu phản hồi thì tín hiệu Q sẽ ở mức cao ( VQ= 5 V).
+ Tiếp đó tín hiệu phản hồi được đưa vào mạch có thêm phần tử
NOT và AND như hình vẽ: nếu không có tín hiệu phản hồi tương ứng với
Q = “1” thì nó sẽ cho tín hiệu xung điều khiển đi qua còn khi có tín hiệu
điều khiển tương ứng với Q= “0” thì nó sẽ không cho tín hiệu xung điều
khiển đi qua và như vậy tín hiệu điều khiển sẽ bị chặn lại.
+ Tính toán, lựa chọn cho khâu phản hồi như sau:
o Chọn cầu Diode chỉnh lưu loại 2KBP005 có các thông số như sau:
Ung_D= 50 (V)
ID = 2 (A)
o Tranzitor loại ZTX300 và Diode loại 1N4448 có các thông số đã
cho ở trên.
o Các điện trở R1 = R2 = 1 kΩ và tụ bù C = 100 Fμ
5. Tính toán thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển
Nghịch lưu lò tôi
- 36 -
- Thiết kế nguồn một chiều có điện áp ra là ± 15V
Ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu và vi mạch ổn áp LM7815C
- Tính toán máy biến áp nguồn:
+ Điện áp thứ cấp của MBA nguồn lấy U2 = 18V
+ Công suất cấp cho 2 diode ổn áp MMSZ6VT1 là:
PD_ổn áp= 2.1 = 2 (W)
+ Công suất biến áp xung cấp cho mạch điều khiển mở 4 van
Trisistor
PBAX= 4.3.100.10-3= 1,2 (W)
+ Công suất cấp cho 2 tranzitor của mạch khuếch đại tao xung
Ptran= 2.0,3= 0,6 (W)
+ Công suất của 3 OpAmp LM318
POpAmp= 3.0,5 = 1,5 (W)
+ Công suất của 2 Comparator LM119
PCom= 2.0,5 = 1 (W)
Nghịch lưu lò tôi
- 37 -
+ Công suất tính toán MBA là
PTT = 2 + 1,2 + 0,6+ 1,5 + 1= 6,3 (W)
+ Lấy hiệu suất của MBA là η=0,85 thì công suất thực tế của MBA
cần thiết kế
PBA= 6,3/0,85 = 7,41 (W)
Ta lấy công suất của MBA là PBA= 8 (W)
+ Từ đó dòng sơ cấp MBA là:
I1= PBA/U1 = 8/220 = 0,036 (A)
+ Dòng thứ cấp MBA là:
I2 =
1.2
P
U
BA =
18.2
8 = 0,222 (A)
+ Thiết diện lõi thép MBA là
S = kQ. mf
PBA = 5.
50.1
8 = 2 (cm2)
trong đó: kQ hệ số phụ thuộc phương thức làm mát lấy kQ= 5
m là số trụ của MBA ở đây m=1
f là tần số lưới điện f=50 Hz
+ Chuẩn hóa có S = 2cm2 và các thông số khác của lõi thép
a = 12 mm
h = 30 mm
c = 12 mm
Thể tích thép từ: V = 25,53 cm3
Trọng lượng thép từ: G = 210 gr
Số lượng lá thép 106 lá
Nghịch lưu lò tôi
- 38 -
Công suất MBA: P= 8W
+ Chọn mật độ từ cảm trong trụ là B = 1T, ta có số vòng dây cuộn sơ
cấp
W1= == −41 10.2.1.50.44,4
220
...44,4 SBf
U 4955 (vòng)
+ Số vòng dây cuộn thứ cấp
W2 = W1. 220
18.4955
1
2 =
U
U = 405(vòng)
+ Lấy mật độ dòng điện là J1=J2=2,5 (A/mm2), ta có tiết diện dây sơ
cấp:
s1= I1/J1 = 0,036/2,5 = 0,0144 (mm2)
+ Tiết diện dây thứ cấp:
s2= I2/J2 = 0,222/2,5 = 0,0888 (mm2)
+ Từ đó đường kính dây sơ cấp là:
d1 = ππ
0144,0.44 1 =s = 0,135 (mm)
+ Đường kính dây thứ cấp
d2 = ππ
0888,0.44 2 =s = 0,336 (mm)
- Tính toán mạch tạo nguồn
+ Dòng trung bính qua diode là:
ID = I2/ 2 = 0,222/ 2 = 0,157 (A)
+ Điện áp ngược đặt lên diode là
Ung_D= 2 U2 = 2 . 18 = 25 (V)
+ Từ đó ta chọn cầu diode chỉnh lưu 2KBP005 có các thông số:
Nghịch lưu lò tôi
- 39 -
Ung_D= 50 (V)
ID = 2 (A)
- Lựa chọn các tụ:
+ Các tụ C1 và C3 là các tụ hóa sử dụng để lọc phẳng chọn C1 = C3 =
2200 Fμ
+ Các tụ C2 và C4 là các tụ sử dụng để lọc nhiễu chọn C2 = C4 = 0,01
Fμ
KẾT LUẬN
Ngày nay việc áp dụng phơng pháp tôi cảm ứng vào tôi thép đã trở
nên rất phổ biến và việc ứng dụng điện tử công suất vào phơng pháp tôi
cảm ứng cho chúng ta khả năng tự động hóa cao , dễ điều khiển…
Nhờ sự giảng dạy , giúp đỡ tận tình của các thầy trong bộ môn và
đặc biệt là sự
hướng dẫn của thầy Dương Văn Nghi cùng với sự giúp đỡ của các
thành viên trong nhóm ; sau một quá trình học tập và nghiên cứu em đã
hoàn thành đồ án môn học với đề tài : “Thiết kế phần nghịch lưu của bộ
nguồn lò tôi thép” một đề tài ứng dụng nhiều trong thực tế. Tuy nhiên do
đây là lần đầu tiên làm đồ án nên không thể tránh khỏi sai sót , em rất mong
nhận được ý kiến đóng góp của các thầy để đồ án hoàn thiện hơn và có tính
khả thi cao hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nghịch lưu lò tôi
- 40 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1.Điện tử công suất-Võ Minh Chính(chủ biên), Phạm Quốc Hải,
Trần Trọng Minh- NXB Khoa Học và Kỹ Thuật
2.Phân tích và giải mạch điện tử công suất-Phạm Quốc Hải , Dơng
Văn Nghi- NXB Khoa Học và Kỹ Thuật
3.Điện tử công suất- Lê Văn Doanh(chủ biên),Nguyễn Thế Công,
Trần Văn Thịnh- NXB Khoa Học và Kỹ Thuật
Nghịch lưu lò tôi
- 41 -
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- nghich_luu_lo_toi_8849.pdf