Bài giảng Điện Công Nghệ - Đốt nóng bằng cảm ứng

1Bài giảng 3 Bài giảng Điện Công Nghệ TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK 2 2Bài giảng 3
Đốt nóng cảm ứng: là quá trình đốt nóng vật dẫn điện dưới tác dụng của từ trường xoay chiều.
Ưu điểm:  Đốt nóng không tiếp xúc, có thể thực hiện ngay cả trong chân không  Dễ dàng điều khiển các chế độ sinh nhiệt phù hợp với các qt công nghệ  Dễ dàng điều chỉnh phân bố của dòng điện cảm ứng bằng tần số và hình dạng của cuộn dây tạo từ trường  Tốc độ đốt nóng cao và nhiệt độ không bị hạn chế  Hiệu suất năng lượng cao, đảm bảo vệ sinh và an toàn Đốt nóng bằng cảm ứng – Giới thiệu 3Bài giảng 3
Nguyên tắc: Cuộn dây (màu đỏ) tạo ra từ trường xoay chiều, làm cảm ứng dòng điện xoáy trong vật dẫn (màu xanh), sinh ra nhiệt do tổn hao Joule trong vật dẫn. Nguyên tắc làm việc
Hiệu ứng bề mặt (skin effect): tần số càng cao thì độ thấm sâu càng nhỏ  Lựa chọn tần số thích hợp cho mục đích: đốt nóng toàn bộ hay bề mặt. fpiµ ρδ = 4Bài giảng 3 Ứng dụng Nấu chảy Ủ (annealing) Hàn Tôi Gia nhiệt Xử lý nhiều vị trí 5Bài giảng 3 Ứng dụng (tt)
Ngoài những ứng dụng công nghiệp truyền thống, còn có những hướng ứng dụng trong công nghệ nano, y học, sợi quang, ...
Phân loại theo quá trình, ngoài các quá trình gia nhiệt, nấu chảy, ủ, tôi, và hàn kim loại, còn có các quá trình khác cũng tận dụng được các ưu điểm của đốt nóng cảm ứng như: đông kết chất kết dính, nối cao su/kim loại, làm kín nắp, chế tạo tinh thể bán dẫn, thử nghiệm vật liệu, làm kín thủy tinh/kim loại, nối nhựa/kim loại, ... 6Bài giảng 3 Thiết bị nấu chảy bằng cảm ứng
Phân loại theo kết cấu: có dạng rãnh và dạng nồi.
Dạng rãnh: rãnh chứa kim loại nóng chảy được xem là cuộn dây thứ cấp ngắn mạch của một MBA, hấp thụ 90 – 95% năng lượng.
Dòng điện trong rãnh kim loại thường có giá trị lớn, nên sẽ sinh ra lực điện động khi tương tác với từ trường: lực hướng kính tác dụng lên thành rãnh, và lực dọc trục gây chuyển động của kim loại nóng chảy.
Hiệu suất của các lò khá cao: 60 – 90%.
Dạng nồi: cuộn dây tạo từ trường bọc bên ngoài nồi kim loại. Nguyên tắc hoạt động hoàn toàn giống dạng rãnh. 7Bài giảng 3 Thiết bị nung cảm ứng
Có 2 dạng: nung xuyên suốt và nung bề mặt.
Lò nung xuyên suốt dùng để nung các bán thành phẩm trong các công đoạn gia công cơ khí. Tần số cần chọn phù hợp với vật liệu và kích thước chi tiết để phần lớn tiết diện của chi tiết dẫn dòng điện.
Lò nung xuyên suốt có thể hoạt động theo chu kỳ hay liên tục.
Để thực hiện nung bề mặt, cần chọn tần số đủ lớn để phần lớn dòng điện tập trung ở ngay dưới bề mặt chi tiết.
Nung bề mặt có thể ứng dụng trong quá trình tôi bề mặt chi tiết. Phương pháp này giảm đáng kể chi phí năng lượng. 8Bài giảng 3 Các dạng cuộn dây cảm ứng trong thực tế 9Bài giảng 3 Đốt nóng điện môi – Cơ sở vật lý
Đốt nóng điện môi diễn ra do các dòng điện dịch và dòng điện dẫn chảy qua chất cách điện hoặc bán dẫn dưới tác dụng của điện trường xoay chiều tần số cao.
Ưu điểm: tốc độ cao, nhiệt phân bố đều và năng suất cao.
Theo quan điểm năng lượng, đây là phương pháp hiệu quả nhất.
Dưới tác dụng của điện trường xoay chiều, trong điện môi xuất hiện tổn hao ma sát và tổn hao lưỡng cực, dẫn đến sự phát nóng. Đặc trưng cho mỗi vật liệu là hệ số tổn thất điện môi tgδ. Công suất tổn hao trong điện môi cho bởi δωδϕ tgCUUItgUIP 2cos =≈= 10Bài giảng 3 Thiết bị đốt nóng điện môi
Chia làm hai loại theo tần số: tần số cao (66 kHz – 1 GHz) và tần số siêu cao (từ 1 GHz trở lên).
Phần lớn các vật liệu được đốt nóng trong điện trường đều có cấu trúc không đồng nhất, khi đó hệ số điện môi trung bình có thể được dùng trong các tính toán.
Khi sấy khô vật liệu điện môi luôn kèm theo sự bốc hơi nước, do đó điện trường trong khe hở không khí nên được giới hạn ở mức 1 – 1,5 kV/cm.
Các thiết bị đốt nóng điện môi thường bao gồm: máy phát tần số cao, hệ thống bảo vệ và tạo tín hiệu, và hệ thống đốt nóng. 11Bài giảng 3 Thiết bị đốt nóng điện môi (tt)
Các thiết bị có thể chia thành 3 nhóm theo tần số: sóng trung (đến 3 MHz), sóng ngắn (3 – 30 MHz) và sóng mét (30 – 300 MHz).
Thiết bị sóng trung dùng cho điện môi có hệ số tổn thất lớn. Hiệu suất của máy phát khá cao với công suất đến hàng trăm kW.
Thiết bị sóng ngắn dùng cho điện môi có hệ số tổn thất trung bình. Công suất thiết bị đến vài chục kW, với mật độ 1 – 100 W/cm3.
Thiết bị sóng mét dùng cho vật liệu có hệ số tổn thất thấp, với hiệu suất từ 0,3 đến 0,4, mật độ đến 3 kW/cm3, và đốt nóng trong vài giây. 12Bài giảng 3 Nguồn phát tần số cao
Thiết bị công nghiệp chủ yếu theo nguyên tắc chuyển dòng điện 3 pha tần số công nghiệp thành dòng điện 1 pha tần số cao.
Bộ biến đổi tần số thyristor thường theo cấu trúc chỉnh lưu – nghịch lưu với tần số làm việc đến 10 kHz. Ở dải tần số cao hơn (đến 5 MHz), cần sử dụng các đèn 3 cực. Ngày nay, các transistor bán dẫn đang dần thay thế các đèn 3 cực trong các thiết bị ở dải công suất nhỏ và vừa.
Ngoài cấu trúc kinh điển chỉnh lưu – nghịch lưu, một hướng ứng dụng mới, sử dụng các bộ biến đổi trực tiếp tần số công nghiệp sang tần số cao đang dần được phát triển. 13Bài giảng 3 Nguồn phát tần số cao (dùng cho cảm ứng)
Sử dụng cấu trúc kinh điển chỉnh lưu – nghịch lưu.
Rất nhiều phương pháp điều khiển cũng như cấu trúc bộ biến đổi đã được nghiên cứu.
Ngoài cấu trúc kinh điển, một hướng ứng dụng mới, sử dụng các bộ biến đổi trực tiếp tần số công nghiệp sang tần số cao (gọi là các bộ biến đổi ma trận tần số cao) đang dần được phát triển. 14Bài giảng 3 Nguồn phát tần số cao (dùng cho điện môi)
Magnetron 15Bài giảng 3 Nguồn phát tần số cao (dùng cho điện môi)
Klystron 16Bài giảng 3 Ví dụ
Ví dụ 4.1, 4.2, 4.4, 4.5, và 4.6: Xem giáo trình.