Giáo trình môn Điện công nghiệp

169 trang ngocly 500

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Điện công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mon_dien_cong_nghiep.pdf

Nội dung text: Giáo trình môn Điện công nghiệp

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN CHÖÔNG I CÔ SÔÛ VAÄT LYÙ – KYÕ THUAÄT CUÛA ÑIEÄN NHIEÄT oOo 1.1. KHAÙI NIEÄM VEÀ ÑIEÄN NHIEÄT VAØ CAÙC BIEÄN PHAÙP BIEÁN ÑOÅI ÑIEÄN NHIEÄT. Khaùi nieäm ñieän nhieät xuaát hieän trong nhieàu quaù trình coâng ngheä khaùc nhau cuûa saûn xuaát coâng nghieäp. YÙ nghóa chuû yeáu cuûa noù laø vieäc caáp nhieät cho caùc vaät lieäu vaø saûn phaåm khaùc nhau nhôø naêng löôïng ñieän. Öu ñieåm cuûa phöông phaùp caáp nhieät nhôø naêng löôïng ñieän laø: 1. Coù khaû naêng thu heïp phaïm vi söû duïng moâi tröôøng xung quanh trong coâng taùc. 2. Ñieàu chænh nhieät ñoä chuaån xaùc, taïo ra ñöôïc doøng nhieät taäp trung vôùi maät ñoä cao vaø taïo ñöôïc nhieät tröôøng caàn thieát trong khoâng gian caáp nhieät. 3. Coù khaû naêng kieåm tra nghieâm ngaët vaø ñieàu chænh chính xaùc nguoàn naêng löôïng tieâu thuï. 4. Coù khaû naêng caáp nhieät cho caùc vaät lieäu vaø saûn phaåm naèm trong caùc moâi tröôøng khi coù caùc thaønh phaàn hoaù hoïc khaùc nhau vaø trong chaân khoâng. 5. Coù khaû naêng taïo ra nhieät ñoä töø baûn thaân vaät theå caàn ñoát noùng. Ngoaøi ra quaù trình ñieän nhieät cho pheùp tieát kieäm nguyeân lieäu ñoát vaø giaûm soá löôïng nhaân vieân phuïc vuï. Coù caùc bieän phaùp bieán ñoåi ñieän nhieät nhö sau: a. Ñoát noùng nhôø ñieän trôû: theo ñònh luaät joule, khi coù doøng ñieän chaûy qua vaät daãn ñieän, toån hao naêng löôïng trong vaät daãn ñieän chuyeån hoùa döôùi daïng nhieät, toûa ra moâi tröôøng xung quanh. Bieän phaùp naøy coù theå söû duïng trong caùc thieát bò ñieän nhieät taùc ñoäng tröïc tieáp vaø giaùn tieáp. b. Ñoát noùng nhôø caûm öùng: döïa treân cô sôû bieán ñoåi naêng löôïng tröôøng ñieän töø thaønh nhieät nhôø vieäc gaây ra trong vaät theå doøng ñieän xoaùy (Foucalts) vaø vieäc nhieät sinh ra trong vaät theå ñoù cuõng tuaân thuû theo ñònh luaät joule. c. Ñoát noùng nhôø ñieän moâi: khi vaät theå caùch ñieän hoaëc baùn daãn ñöôïc ñaët trong ñieän tröôøng taàn soá cao, xuaát hieän hieän tröôøng phaân cöïc. Toån hao do caùc doøng ñieän daãn vaø chuyeån dòch seõ chuyeån hoaù thaønh nhieät. d. Ñoát noùng nhôø hoà quang ñieän: ôû ñaây vaät theå ñöôïc ñoát noùng laø do hoà quang ñieän cuõng nhö do söï trao ñoåi ions – electrons ôû caùc ñieän cöïc. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 1
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN e. Ñoát noùng nhôø plasma: khi chaát khí bò ion hoaù do nhieät ñoä cuûa hoà quang hoaëc do töø tröôøng hoaëc ñieän tröôøng taàn soá cao, coù theå nhaän ñöôïc plasma nhieät ñoä thaáp duøng trong caáp nhieät cho caùc vaät khaùc nhau. f. Ñoát noùng nhôø chuøm tia electrons: nhieät naêng sinh ra ôû ñaây laø do chuøm tia electrons ñöôïc gia toác baèng ñieän tröôøng va ñaäp leân beà maët vaät theå. g. Ñoát noùng nhôø tia laser: beà maët vaät theå ñöôïc ñoát noùng khi haáp thu luoàng aùnh saùng ñôn saéc maät ñoä cao, goïi laø tia laser. Tia laser do maùy phaùt laser taïo ra. 1.2. VAÄT LIEÄU SÖÛ DUÏNG TRONG CAÙC LOØ ÑIEÄN: Ñeå cheá taïo ra caùc thieát bò ñieän nhieät ngöôøi ta phaûi söû duïng haøng loaït caùc vaät lieäu ñaëc bieät coù khaû naêng chòu ñöïng ñöôïc nhieät ñoä cao. 1. Gaïch chòu löûa: Laø vaät lieäu neàn taûng ñeåtaïo ra caùc loø nhieät vaø caùc thieát bò nhieät khaùc nhau. Gaïch chòu löûa coù khaû naêng chòu ñöôïc nhieät ñoä cao (treân 12000K) vaø coù khaû naêng ñaûm baûo ñöôïc caùc yeâu caàu sau: - Tính chòu löûa: khoâng bò bieán daïng vaø noùng chaûy döôùi taùc ñoäng cuûa nhieät ñoä cao. Coù theå phaân chia thaønh 3 caáp chòu löûa nhö sau: caáp thöù nhaát ñöôïc goïi laø chòu löûa (1580 – 17700K), caáp thöù hai: chòu löûa cao (1770 – 20000K), caáp thöù ba: sieâu chòu löûa (cao hôn 20000K). Vaät lieäu coù tính chòu löûa thaát hôn 15800K ñöôïc goïi laø vaät lieäu caùch nhieät. - Ñoä beàn cô: ñöôïc theå hieän ôû söùc chòu ñöïng taûi troïng 20Kpa ôû nhieät ñoä laøm vieäc toái ña, khi ñoù vaät lieäu baét ñaàu bò bieán daïng. - Ñoä beàn nhieät: ñöôïc theå hieän ôû khaû naêng chòu ñöïng cuûa vaät lieäu khoâng bò hö haïi khi coù söï bieán ñoåi ñoät ngoät cuûa nhieät ñoä. - Tính trung tính hoaù hoïc: ñeå khoâng laøm hö haïi saûn phaåm nung trong loø do caùc taùc ñoäng aên moøn hoùa hoïc. - Tính daãn ñieän thaáp: thoâng thöôøng vaät lieäu chòu löûa trong caùc loø ñieän phaûi ñoàng thôøi laø vaät lieäu caùch ñieän ñeå coù theå laép ñaët caùc phaàn töû ñieän trôû ñoát noùng beân trong. - Tính daãn nhieät thaáp: Ñeå coù giaûm toån hao nhieät beân trong thaønh loø maø khoâng caàn phaûi caáu taïo thaønh loø quaù daøy. Caùc loaïi gaïch chòu löûa sau ñaây coù khaû naêng ñaûm baûo ñöôïc haàu heát caùc 0 yeâu caàu neâu ra ôû treân: gaïch chòu löûa cheá taïo töø ñaát seùt coù chöùa SiO2 (2000 K), 0 0 0 chöùa Al2O3 (2300 K), chöùa MgO (2600 K), gaïch samoât (2000 K) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 2
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Ñoái vôùi caùc loø naáu chaûy caùc vaät lieäu vaø hôïp kim khoù noùng chaûy phaûi söû 0 0 duïng caùc vaät lieäu chòu löûa quyù hieám nhö ZrO2 (2800 K), BeO (2870 K), ThO2 (33000K), Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, ngöôøi ta thöôøng söû duïng caùc vaät lieäu chòu löûa daïng taám, mieáng eùp töø sôïi nhaân taïo vì coù theå ruùt ngaén ñöôïc thôøi gian vaø coâng lao ñoäng khoaûng 10% so vôùi vaät lieäu coå ñieån. Vaät lieäu sôïi chòu löûa bao goàm: SiO2 – ZrO2, SiO2 – BeO, SiO2 – ThO2, Al2O3 – SiO2, chuùng coù theå chòu ñöïng ñöôïc nhieät ñoä töø 13000K – 18000K. 2. Vaät lieäu caùch nhieät: Chuùng caàn phaûi coù heä soá daãn nhieät thaáp vaø chòu löûa töông ñoái toát. Caùc vaät lieäu caùch nhieät thöôøng coù daïng xoáp, nheï hoaëc laø caùc saûn phaåm coù nhieàu loã boïng hoaëc ôû daïng taám eùp töï haït coù kích thöôùc töông ñoái lôùn. Caùc vaät lieäu caùch nhieät thöôøng gaëp laø diatomit, boâng thuûy tinh, thuûy tinh boït hoaëc hoå phaùch. 3. Vaät lieäu chòu nhieät: Laø caùc vaät lieäu coù ñoä beàn cô cao ôû ñieàu kieän nhieät ñoä cao. Chuùng phaûi beàn vöõng ñoái vôùi caùc phaûn öùng hoaù hoïc xaûy ra trong ñieàu kieän nhieät ñoä cao. Caùc vaät lieäu chòu nhieät thöôøng coù cô sôû laø saét coäng theâm moät soá chaát phuï ñaëc bieät khi luyeän. Caùc chaát phuï coù theå laø chrome, nhoâm, nickel, , chuùng coù taùc duïng laøm cho hôïp kim chòu ñöïng ñöôïc taùc ñoäng aên moøn hoùa hoïc ôû ñieàu kieän nhieät ñoä cao. Theùp chrome – nickel vôùi thaønh phaàn chrome chieám khoaûng 18% vaø nickel 9% ñöôïc duøng trong caùc loø ñieän nhieät coù nhieät ñoä laøm vieäc ñaït 11000K, khi taêng tyû leä nickel leân 20 – 25% coù theå laøm taêng khaû naêng chòu nhieät cuûa hôïp kim leân ñeán 13000K. Ñoái vôùi caùc loø ñieän nhieät ñoä cao, caùc vaät lieäu chòu nhieät ñöôïc duøng laø: molibden, wolfram. Chuùng coù theå laøm vieäc ôû trong moâi tröôøng khí baûo veä nhö argon, nitrogen, hydrogen, BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 3
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN CHÖÔNG 2 CAÙC THIEÁT BÒ ÑOÁT NOÙNG BAÈNG ÑIEÄN TRÔÛ oOo 2.1. BAÛN CHAÁT VAÄT LYÙ CUÛA ÑIEÄN TRÔÛ: Doøng ñieän laø söï chuyeån ñoäng coù höôùng cuûa ñieän tích döông vaø aâm döôùi taùc ñoäng cuûa ñieän tröôøng. Trong caùc vaät chaát coù caáu truùc maïng nguyeân töû (kim loaïi vaø caùc chaát raén khaùc), doøng ñieän laø doøng chuyeån ñoäng cuûa caùc electrons töï do veà phía döông cöïc (anode), noù cuõng coù theå laø doøng chuyeån ñoäng cuûa caùc electrons trong chaân khoâng (caùc electrons naøy ñöôïc phaùt xaï töø ñieän cöïc, töø kim loaïi hoaëc töø caùc vaät lieäu khaùc ñaët trong ñieän tröôøng). Caùc vaät chaát daãn ñieän nhôø söï chuyeån ñoäng cuûa caùc electrons ñöôïc goïi laø caùc vaät chaát daãn ñieän loaïi 1. Caùc moâi tröôøng daãn, trong ñoù doøng ñieän ñöôïc taïo ra nhôø söï chuyeån ñoäng cuûa caùc ion döông vaø aâm ñöôïc goïi laø caùc vaät chaát daãn ñieän loaïi 2 (chaát ñieän phaân, caùc dung dòch hoaù hoïc, ). Plasma coù tính daãn ñieän hoãn hôïp. Trong caùc vaät chaát coù caáu truùc maïng nguyeân töû, soá löôïng caùc electrons töï do chuyeån ñoäng hoãn loaïn beân trong maïng raát lôùn, ví duï ñoái vôùi ñoàng coù theå leân tôùi 1029/m3. Theo lyù thuyeát thì maïng tinh theå kim loaïi khoâng heà caûn trôû gì ñoái vôùi doøng chuyeån ñoäng electrons (doøng ñieän), vì vaäy coù theå noùi ñoä daãn ñieän cuûa kim loaïi laø voâ cuøng lôùn. Nhöng treân thöïc teá, do söï taùc ñoäng cuûa nhieàu yeáu toá khaùc nhau nhö nhieät ñoä, töø tröôøng, ñieän tröôøng, maïng tinh theå kim loaïi dao ñoäng vaø gaây caûn trôû doøng chuyeån ñoäng electrons. Ñieàu naøy lyù giaûi taïi sao ñieän trôû cuûa kim loaïi laïi phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä vaø ôû nhieät ñoä raát thaáp coù theå taïo ra chaát sieâu daãn. Quan heä giöõa maät ñoä doøng ñieän, cöôøng ñoä ñieän tröôøng vaø ñoä daãn ñieän cuûa vaät theå ñöôïc xaùc ñònh nhôø ñònh luaät Ohm. ÔÛ daïng toång quaùt coù theå vieát: J = (ne eo e + ni eo i ) E (1.1) Trong ñoù: j : maät ñoä doøng ñieän, A/cm2. 3 ne, nI : maät ñoä ñieän tích electrons vaø ion, 1/cm e, i : ñoä chuyeån ñoäng cuûa caùc electrons vaø ion ôû ñieän tröôøng E = 1 (v/cm) - e0 : ñieän tích electron. Trong caùc kim loaïi, doøng ñieän sinh ra chuû yeáu nhôø doøng chuyeån ñoäng cuûa caùc electrons, vì vaäy (1.1) coù theå vieát laïi nhö sau: BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 4
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN j = ne eo e . E (1.2) Töø (1.2) suy ra: = ne eo e (1.3) Trong ñoù: laø ñoä daãn ñieän, phuï thuoäc vaøo maät ñoä ñieän tích ne cuõng nhö vaøo daïng vaø traïng thaùi cuûa kim loaïi e. töø: j = . E (1.4) Giaù trò nghòch ñaûo cuûa ñieän daãn : 1 / = : chính laø ñieän trôû suaát cuûa caùc vaät lieäu. Ñieän trôû suaát phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä theo quan heä sau ñaây: T = 20 [ 1 + (T – T20) ] (1.5) 0 0 vôùi 20 : ñieän trôû suaát cuûa vaät lieäu ôû 20 C (293 K) 0 0 : heä soá nhieät ñieän trôû cuûa vaät lieäu, 1/ C, T20 = 293 K Toác ñoä chuyeån ñoäng cuûa electrons trong ñieän tröôøng E phuï thuoäc vaøo hieäu ñieän theá U giöõa 2 ñieän cöïc. v 5,93 .105 u (1.6) e 3 (km/s). Ví duï: U = 40 KV, ve = 118,6 . 10 Khi ñoù, electron ñaït ñoäng naêng. We = e0 . U (eV) (1.7) Khi va ñaäp vôùi nguyeân töû cuûa maïng tinh theå, electron trao naêng löôïng cuûa mình cho nguyeân töû vaø laøm cho kim loaïi bò noùng leân. Nhieät löôïng sinh ra do doøng ñieän I chaûy trong vaät daãn ñieän ñöôïc bieåu dieãn: Q = I2 R. t (1.8) Vôùi : I : doøng ñieän, A, R : ñieän trôû, t : thôøi gian doøng ñieän chaûy qua, s. Coâng suaát nhieät coù theå bieåu dieãn nhö sau: U 2 U 2 P R .l / s ÔÛ ñaây, l : chieàu daøi vaät daãn, m. s : tieát dieän vaät daãn, m2 P : coâng suaát, W. 2.2. CAÙC PHAÀN TÖÛ ÑIEÄN TRÔÛ ÑOÁT NOÙNG: Vieäc löïa choïn vaät lieäu vaø keát caáu cuûa phaàn töû ñoát noùng ñöôïc xaùc ñònh bôûi caùc ñaëc ñieåm cuûa quaù trình coâng ngheä vaø keát caáu thieát bò. Phaàn töû ñoát noùng caàn phaûi coù caùc ñaëc ñieåm sau: ñieän trôû suaát lôùn, heä soá nhieät ñieän trôû nhoû vaø phaûi coù tuoåi thoï cao. Coù theå phaân chuùng thaønh 3 nhoùm theo nhieät ñoä laøm vieäc nhö sau: BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 5
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 1. Nhieät ñoä thaáp: 500 – 7000K, trao ñoåi nhieät chuû yeáu baèng phöông phaùp ñoái löu. 2. Nhieät ñoä laøm vieäc trung bình, töø 900 – 1.3000K, trao ñoåi nhieät baèng ñoái löu, trao ñoåi nhieät vaø böùc xaï nhieät. 3. Nhieät ñoä laøm vieäc cao töø 1.500 – 2.3000K, chuû yeáu truyeàn nhieät baèng böùc xaï. Ñeå cheá taïo caùc phaàn töû ñoát noùng coù nhieät ñoä laøm vieäc ñeán 15000K, ngöôøi ta thöôøng söû duïng caùc vaät lieäu: Nicrome (hôïp kim nickel, chrome), hôïp kim chrome vaø nhoâm cuõng nhö hôïp kim theùp chòu nhieät chrome – nickel. Nicrome vôùi thaønh phaàn 75 – 78% nickel vaø khoaûng 25% chrome, khi taêng thaønh phaàn nickel trong hôïp kim seõ laøm taêng khaû naêng nhieät ñoä cuûa noù. Boå sung theâm titan seõ laøm taêng ñoä beàn cô cuûa hôïp kim. Hôïp kim nicrome vôùi 22 – 27% crome vaø 17 – 20% nickel ñöôïc duøng ñeå cheá taïoi caùc phaàn töû ñoát noùng coù nhieät ñoä laøm vieäc ñeán 11000K. Hôïp kim cuûa theùp, chrome (13%) vaø nhoâm (ñeán 4%) cuõng ñöôïc duøng laøm phaàn töû ñoát noùng laøm vieäc ôû nhieät ñoä 11000K. Hôïp kim coù chöùa 20 – 27% chrome vaø moät löôïng nhoû caùc chaát phuï khaùc nhö titan, bore coù khaû naêng laøm vieäc ôû nhieät ñoä ñeán 1470 – 16200K. Caùc hôïp kim treân ñöôïc söû duïnglaøm phaàn töû ñoát noùng daïng hôû hoaëc baûo veä. ÔÛ daïng thöù nhaát keát caáu phaàn töû ñoát noùng töônng ñoái cöùng vaø ñöôïc cheá taïo töø daây hoaëc baêng coù tieát dieän lôùn. Phaàn töû daïng hôû ñöôïc laép ñaët trong caùc loø vaø duïng cuï ñun naáu gia ñình, chuùng coù hình daïng ziczaêc hoaëc xoaén loø xo. Ñeå ñun naáu chaát loûng hoaëc ñoát noùng chaát khí trong moät vaøi quaù trình coâng ngheä, coù theå söû duïng caùc phaàn töû daïng oáng ñöôïc laøm töø vaät lieäu theùp goám xoáp coù caùc loã nhoû li ti kích thöôùc khoaûng 40 - 80 m ñeå baûo ñaûm cho chaát loûng hoaëc chaát khí thaám ñöôïc qua thaønh cuûa noù. Suaát taûi nhieät cuûa phaàn töû loaïi naøy laø vaøo khoaûng 1KW/cm2 vôùi nhieät ñoä laøm vieäc laø khoaûng 400 – 6000K. Ñieän aùp ñaët treân moät phaàn töû coù theå töø 1 – 12V. Khi ñoát noùng ôû nhieät ñoä thaáp coù theå söû duïng roängraõi phaàn töû ñoát noùng daïng oáng ñöôïc moâ taû trong (H.2.1). BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 6
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Chaát ñoän trong oáng thöôøng söû duïng Periclaz (MgO) naáu chaûy. Coâng suaát oáng coù theå töø 100W ñeán 15KW, ñieän aùp laøm vieäc töø 36 - 380V, nhieät ñoä laøm vieäc töø 400 – 10000K. Tuoåi thoï trung bình cuûa oáng töø 10.000 ñeán 40.000 giôø. Ñoái vôùi caùc loø nhieät ñoä cao tôùi 17000K thöôøng söû duïng caùc phaàn töû ñoát noùng cheá taïo töø carbonrundum (SiC) daïng thanh, ñöôøng kính 6 – 30mm, vôùi chieàu daøi khaùc nhau. Phaàn töû ñoát noùng laøm töø silic milibden (MoSi2) coù theå laøm vieäc ôû nhieät ñoä 20000K trong moâi tröôøng oxygen. MoSi2 ñöôïc cheá taïo baèng phöông phaùp luyeän kim boät. Trong moâi tröôøng oxygen ôû nhieät ñoä cao hôn 13000K treân beà maët phaàn töû ñoát noùng ñöôïc phuû moät 0 lôùp baûo veä SiO2. ÔÛ nhieät ñoä töø 2000 K trôû leân lôùp baûo veä cuõ bò phaù huûy vaø töï hình thaønh lôùp baûo veä môùi, keát quaû laø tieát dieän cuûa phaàn töû bò giaûm daãn ñeán ñieän trôû taêng leân. Vì vaäy, ôû nhieät ñoä treân 20000K khoâng neân duøng phaàn töû ñoát noùng loaïi naøy. ÔÛ nhieät ñoä ñeán 23000K phaàn töû ñoát noùng ñöôïc laøm töø kim loaïi goám. Ví duï : oxyde Ziriconi coù chöùa 4% oxyde canxium hoaëc 6% oxyde itria. Trong caùc loø ñieän nhieät ñoä cao (töø 23000K trôû leân). Caùc phaàn töû ñoát noùng ñöôïc laøm töø vaät lieäu khoù noùng chaûy nhö than chì (graphite), hoaëc caùc kim loaïi khoù naáu chaûy nhö moliloden, tantal, wolfram, chuùng ñöôïc söû duïng chuû yeáu trong moâi tröôøng khí trô nhö argon, helium, hydrogen, nitrogen cuõng nhö trong chaân khoâng. 2.3. CAÙC LOØ ÑIEÄN TRÔÛ: Loø ñieän trôû ñöôïc söû duïng nhieàu trong caùc coâng ngheä cheá taïo mayù, luyeän kim, trong coâng nghieäp nheï, coâng nghieäp hoaù chaát, trong xaây döïng vaø noâng nghieäp. Söï ña daïng cuûa caùc quaù trình coâng ngheä cuõng nhö vieäc söû duïng caùc vaät lieäu ña daïng daãn ñeán söï ña daïng cuûa keát caáu loø ñieän trôû. Nhieàu quaù trình coâng ngheä khaùc nhau ñoøi hoûi phaûi thöïc hieän trong ñieàu kieän chaân khoâng hoaëc khí baûo veä daãn ñeán söï caàn thieát phaûi coù loø ñieän trôû. Loø ñieän trôû ñöôïc phaân thaønh 2 loaïi chính laø loø nung vaø loø naáu chaûy. a. Loø nung ñieän trôû: Chuùng ñöôïc cheá taïo theo 2 nguyeân taéc: - Loø nung taùc ñoäng giaùn tieáp: naêng löôïng ñieän ñöôïc chuyeån hoaù thaønh nhieät nhôø caùc phaàn töû ñoát noùng ñaëc bieät, sau ñoù ñöôïc truyeàn vaøo khoâng gian coâng taùc nhôø daãn nhieät, ñoái löu vaø böùc xaï. Trong caùc loø nung taùc ñoäng tröïc tieáp. - Loø nung taùc ñoäng tröïc tieáp: vaät theå caàn ñöôïc nung noùng ñöôïc ñaáu tröïc tieáp vaøo maïch ñieän. Tuyø theo möùc ñoä nhieät ñaït ñöôïc coù theå phaân thaønh: loø nung nhieät ñoä thaáp (900 – 10000K), nhieät ñoä trung bình (1000 – 16000K), vaø loø nung nhieät ñoä cao (cao hôn 16000K). BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 7
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Theo cheá ñoä laøm vieäc coù theå phaân thaønh loø hoaït ñoäng lieân tuïc hay theo chu kyø. Caùc loø hoaït ñoäng theo chu kyø, tuyø theo quaù trình coâng ngheä khaùc nhau coù theå phaân thaønh: loø buoàng ñoát, loø ñöùng, loø chuïp, loø naâng, loø baêng truyeàn, loø laêng laên, loø quay (H.2.2). Nhö vaäy, caùc loø hoaït ñoäng theo chu kyø coù theå phaän bieät vôùi nhau bôûi phöông phaùp vaø heä thoáng cô caáu truyeàn ñoäng, bôûi vò trí laép ñaët sôïi ñoát trong buoàng loø. Kích thöôùc vaø coâng suaát loø ñöôïc xaùc ñònh bôûi naêng suaát caàn thieát, bôûi nhieät ñoä vaø ñaëc tính nhieät lyù cuûa vaät lieäu. Hình 2.2A. a) Loø chuïp, b) Loø naâng, c) Loø ñöùng d) Loø buoàng khí ñoát, e) Loø baêng truyeàn. Trong caùc loø coù ñieàu khieån aùp suaát, thöôøng söû duïng khí trô hoaëc hoãn hôïp khí ñaëc bieät. Chuùng coù coâng duïng toát ñoái vôùi vieäc xöû lyù beà maët saûn phaåm: nitô hoaù, hoaù cöùng beà maët, laøm cho saûn phaåm coù ñoä cöùng cao hôn vaø taêng cöôøng ñoä beàn saûn phaåm. Cuõng coù moät vaøi loaïi loø söû duïng moâi tröôøng hydrogen trong caùc quaù trình coâng ngheä khaùc nhau ñeå phuïc hoài kim loaïi ñaõ bò oxy hoùa vaø uû kim loaïi quyù hieám (wolfram, molibden ) b. Loø naáu chaûy kim loaïi duøng ñieän trôû: Duøng ñeå naáu chaûy caùc kim loaïi coù nhieät ñoä noùng chaûy thaáp nhö: chì, keõm vaø moät vaøi hôïp kim cuûa chuùng (600 – 8000K). Ñaëc bieät laø loø ñieän trôû duøng ñeå naáu nhoâm vaø hôïp kim nhoâm, cho pheùp ñaït ñöôïc ñoä tinh khieát cao. Chuùng coù öu ñieåm laø keát caáu ñôn giaûn, caáp nhieät ñôn giaûn vaø quaù trình coâng ngheä ñôn giaûn. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 8
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Loø naáu chaûy kim loaïi duøng ñieän trôû coù theå phaân chia thaønh hai daïng: daïng noài vaø daïng buoàng. Loø daïng noài: coù hình daïng laø moät noài baèng gang (H.2.3) ñöôïc ñaët beân trong voû hình truï, caùc choã troáng ñöôïc nhoài caùc vaät lieäu caùch nhieät. Suaát chi phí naêng löôïng cuûa noài naáu nhoâm laø 700 – 750 KWh/taán. Hieäu suaát vaøo khoaûng 50- 55%. Loø daïng buoàn: thöôøng coù theå tích lôùn hôn loø daïng noài, söû duïng ñeå naáu vaø ñuùc nhoâm. Loø loaïi naøy coù suaát chi phí naêng löôïng vaøo khoaûng 600 – 650 KWh/taán, hieäu suaát 60- 65%, t0 = 800 – 8500K. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 9
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 2.4. TRANG BÒ ÑIEÄN VAØ ÑIEÀU CHÆNH THOÂNG SOÁ LOØ ÑIEÄN TRÔÛ: Coâng suaát loø ñieän trôû hieän ñaïi thöôøng dao ñoäng töø nhoû hôn 1KW ñeán moät vaøi MW. Caùc loaïi loø coù coâng suaát lôùn hôn 20KW thöôûng söû duïng ñieän 3 pha vôùi ñieän aùp: 220; 380; 660V. Heä soá coâng suaát cos = 1, ñoâi khi phaûi söû duïng maùy bieán aùp loø. Trang bò ñieän trong heä thoáng loø ñieän trôû thöôøng chia thaønh: thieát bò ñieän ñoäng löïc, caùc khí cuï ñieän ñieàu khieån, ño löôøng vaø ño nhieät ñoä cao. Trang bò ñieän ñoäng löïc bao goàm: maùy bieán aùp loø hoaëc maùy bieán aùp töï ngaãu vaø heä thoáng caáp nguoàn cho caùc cô caáu truyeàn ñoäng, heä thoáng ñoùng ngaét ñoäng löïc vaø caùc khí cuï ñieän baûo veä khaùc nhau nhö: contactor, khôûi ñoäng töø, aptomat, caàu chaûy. Toaøn boä caùc loø ñieän trôû duøng trong coâng nghieäp ñeàu ñöôïc trang bò heä thoáng ñieàu chænh nhieät ñoä töï ñoäng, cho pheùp töï ñieàu chænh coâng suaát loø vaø caáp nhieät theo yeâu caàu. Phaàn lôùn loø ñieän trôû söû duïng ñieän aùp löôùi ñieän maø khoâng caàn trang bò maùy bieán aùp loø. Tuy nhieân vieäc söû duïng maùy bieán aùp loø (giaûm aùp) cho pheùp taêng doøng ñieän qua phaàn töû ñoát noùng, vì vaäy chuùng coù tieát dieän lôùn daãn ñeán ñoä beàn vaø ñoä tin caäy ñöôïc naâng cao. Nhieät ñoä loø ñöôïc ñieàu chænh baèng caùch thay ñoåi coâng suaát. Ñieàu chænh coâng suaát coù theå thöïc hieän baèng caùc bieän phaùp nhö sau: ñoùng – caét nguoàn theo chu kyø, ñoåi noái sao – tam giaùc, ñoåi noái phaàn töû ñoát noùng noái tieáp – song song. Hình 2.4: Bieåu dieãn sô ñoà maïch ñieän vaø ñoà thò quan heä giöõa nhieät ñoä loø vaø thôøi gian t ôû phöông phaùp ñieàu chænh nhieät ñoä theo chu kyø ñoùng caét nguoàn. Ngoaøi ra, vieäc ñieàu chænh coâng suaát loø coøn caùc bieän phaùp sau ñaây: 1. Söû duïng bieán aùp ñieàu chænh nhuyeãn doøng ñieän qua phaàn töû ñoát noùng. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 10
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 2. Ñoùng phuï theâm vaøo maïch cuûa caùc phaàn töû ñoát noùng caùc phaàn töû phuï (cuoän khaùng, bieán trôû ) 3. Ñieàu chænh daïng xung doøng ñieän qua phaàn töû ñoát noùng (söû duïng thyristors). Ñieàu chænh doøng ñieän qua thyristors coù theå thöïc hieän theo caùc bieän phaùp sau: 1. Ñieàu chænh pha (taàn soá ñieàu chænh fñc = 2 f nguoàn) (H.2.5a) 2. Ñieàu chænh vôùi taàn soá cao (H.2.5b) 3. Ñieàu chænh doøng ñieän vôùi taàn soá thaáp (H.2.5c) 2.5. CAÙC THIEÁT BÒ ÑIEÄN XÆ : Ñaëc ñieåm cô baûn cuûa phöông phaùp ñoát noùng ñieän xæ laø söï chuyeån hoaù quaù trình ñoùt noùng nhôø hoà quang sang quaù trình ñoát noùng khoâng coù hoà quang. ÔÛ ñaây nhieät löôïng caàn thieát ñeå laøm noùng chaûy kim loaïi nhaän ñöôïc nhôø ñoøng ñieän chaûy qua lôùp xæ ñaëc bieät vaø nung noùng noù leân ñeán 2000 – 30000K. veà cô baûn loø ñieän xæ coù caáu taïo nhö trong (H.2.6). BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 11
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN ÔÛ ñaây, doøng ñieän ñöôïc cung caáp bôûi maùy bieán aùp, chaûy qua ñieän cöïc 1 ngaäp trong lôùp xæ 2 vaø ñaùy loø 4. Lôùp xæ coù ñieän trôû lôùn bò ñoát noùng nhanh choùng theo luaät Jun. Ñaàu ñieän cöïc noùng chaûy, nhoû gioït kim loaïi luoàn laùchqua lôùp xæ noùng nhôø ñoù chuùng ñöôïc tieáp tuïc ñoát noùng vaø laøm saïch caùc taïp chaát.cuoái cuøng kim loaïi noùng chaûy ñoïng laïi döôùi ñaùy loø döôùi daïng thoûi kim loaïi keát tinh 5. Xung quanh thoûi kim loaïi vaø thaønh loø hình thaønh moät lôùp xæ than do caùc taïp chaát bò ñoát chaùy. Caùc yeáu toá cô baûn xaùc ñònh caùc öu ñieåm cuûa phöông phaùp xöû lyù kim loaïi trong loø ñieän xæ laø: 1. Söï taùc ñoäng hoaù hoïc giöõa gioït kim loaïi noùng chaûy vaø lôùp xæ trong loø. 2. Ñònh hình thoûi kim loaïi ñuùc ngay trong loø. 3. Taïo ra nhöõng thoûi kim loaïi chaát löôïng cao nhö : theùp laøm voøng bi, theùp khoâng ræ, theùp chòu nhieät Cheá ñoä doøng ñieän trong loø ñieän xæ ñöôïc ñaëc tröng baèng doøng ñieän xung ñaäp maïch coù lieân quan tôùi vieäc taïo gioït kim loaïi noùng chaûy trong loø vaø khoaûng caùch ñieän cöïc luoân thay ñoåi. Phuï thuoäc vaøo hình daùng vaø khoái löôïng cuûa thoûi kim loaïi ñuùc (troøn, chöõ nhaät, vuoâng, hình oáng, ) loø ñieän xæ coù caùc keát caáu vaø caùc thoâng soá khaùc nhau. Tuyø theo khoái löôïng kim loaïi ñuùc, cuøng moät luùc trong moät buoàng loø coù theå coù tôùi 2, 3 ñieän cöïc hoaëc nhieàu hôn. Ñoái vôùi phaàn lôùn loø ñieän xæ, heä soá laáp ñaày buoàng loø laø vaøo khoaûng töø 0,2 ñeán 0,65 vaø taêng leân khi khoái löôïng thoûi ñuùc lôùn. Moät vaøi thoâng soá loø ñieän xæ ñöôïc trình baøy trong baûng 2.1. Baûng 2.1. Thoâng soá ESP2,58G ESP10G ESP20G Coâng suaát nguoàn KVA 1600 2500 5000 Doøng ñieän cöïc ñaïi A 21000 28000 50000 BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 12
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Ñeå thöïc hieän coâng ngheä ñieän xæ, caàn coù caùc heä thoáng truyeàn ñoäng sau: 1. Di chuyeån lieân tuïc hoaëc theo chu kyø caùc ñieän cöïc beân trong lôùp xæ. 2. Heä thoáng laáy thoûi kim loaïi ñuùc töø beân buoàng keát tinh. 3. Ñaùy loø coù nhieäm vuï laøm maùt beà maët thoûi ñuùc, ñoâi khi coù nhieäm vuï daãn doøng ñieän qua loø. Noù ñöôïc cheá taïo töø ñoàng taám gaén vaøo tieáp ñieåm ñeå ñoùng caét doøng ñieän. Baûng 2.2: Cho thaáy moät soá tính chaát hoùa lyù cuûa caùc chaát xæ thöôøng ñöôïc söû duïng. Baûng 2.2 Maõ hieäu Thaønh phaàn hoaù hoïc % Nhieät ñoä noùng Ñieän trôû suaát chaûy 0C hm CaF2 Al2O3 CaO MgO AH -1 95 - 5 - 1300 – 1400 0,0015-0,002 AH -6 70 30 - - 1320 – 1340 0,003-0,0035 AH-291 18 40 25 17 1450 0,0037-0,004 Haøn ñieän xæ. Phöông phaùp haøn ñieän xæ ñöôïc söû duïng roäng raõi trong coâng nghieäp ñeå noái caùc kim loaïi coù beà daøy lôùn (theùp, gang, ñoàng, nhoâm, titan vaø caùc hôïp kim cuûa chuùng). Ñieän cöïc 3 vaø 2 phaàn vaät haøn 1 ñöôïc noái vaøo nguoàn ñieän xoay chieàu qua lôùp xæ 2. Khi coù doøng ñieän chaûy qua ñieän cöïc noùng chaûy, nhôø gioït kim loaïi ñaõ ñöôïc xöû lyù qua lôùp xæ noùng vaø ñoïng vaøo chaäu 5 laøm ñaày phaàn khoâng gian giöõa 2 chi tieát kim loaïi caàn haøn. Coâng suaát haøn ñieän xæ vaø töø khoaûng 60 – 550KVA. Ñieän aùp thöù caáp maùy bieán aùp laø töø 8 – 63V. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 13
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN VÍ DUÏ TÍNH TOAÙN: Ví duï 2.1. Moät loø ñieän nhieät ñöôïc trang bò ba phaàn töû ñieän trôû ñoát noùng gioáng nhau ñöôïc cheá taïo töø vaät lieäu nickel – chrome vaø noái vôùi nhau theo sô ñoà hình tam giaùc. Loø ñieän nhieät coù coâng suaát laø 12KW ôû nhieät ñoä laøm vieäc baèng 12000C. Daây ñieän trôû ñöôïc quaán thaønh oáng loø xo coù ñöôøng kính Dtb baèng 6 laàn ñöôøng kính cuûa daây ñieän trôû d vaø coù böôùc loø xo baèng 3 laàn ñöôøng kính cuûa daây ñieän trôû d. Nguoàn ñieän cung caáp cho loø ñieän nhieät laø 3 pha, 380V. Haõy xaùc ñònh: 1. Ñöôøng kính d vaø chieàu daøi cuûa daây ñieän trôû 1 ñeå taïo ra moät phaàn töû ñieän trôû ñoát noùng. 2. Ñöôøng kính ngoaøi D vaø chieàu daøi moãi oáng loø xo. Bieát ñieän trôû suaát cuûa vaät lieäu nickel – chrome ôû taïi nhieät ñoä laøm vieäc = 1,17.106 m. Coâng suaát toaû nhieät beà maët cuûa phaàn töû laø = 20KW/m2. Giaûi: 1. Ñöôøng kính vaø chieàu daøi cuûa daây ñieän trôû d, l: Coâng suaát toûa nhieät cuûa phaàn töû ñieän trôû ñoát noùng: 12 P 4(KW ) 3 U 2 Maët khaùc: P (1) R Vôùi R laø ñieän trôû cuûa phaàn töû. l R . p laø tieát dieän cuûa daây ñieän trôû. q 4.l R . 2 (2) .d d 2 .U 2 Thay (2) vaøo (1): P (3) 4 .l Coâng suaát toûa nhieät beà maët daây ñieän trôû: P P (4) S d.l bm P Töø ñoù: l (5) d Thay (5) vaøo bieåu thöùc (2) ta ñöôïc: d 2 .V 2 d 2U 2d 2 P . (6) 4 P .P 2 6 2 4 .P 4.1,17.10 (4000) 3 Töø ñoù ruùt ra ñöôïc: 3 3 d 2 2 2 2 3 1,38.10 (m) U .(380) .20.10 4000 l 46,13(m) .1,38.10 3.20.103 BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 14
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 2. Ñöôøng kính vaø chieàu daøi oáng loø xo: Ñöôøng kính trung bình cuûa moät voøng: Dtb = 6 . d Ñöôøng kính ngoaøi cuûa phaàn töû: -3 D = Dtb + d = 7d = 7 . 1,38. 10 = 9,7 (mm) Soá voøng daây loø xo N: l 46,13 N 1677 (vong) l 27,5.10 3 0 Vôùi l0: chieàu daøi moät voøng daây. Töø (H.2.1) ta coù: D D2 f 2 l tb tb 0 2 .6.d 36d 2 9d 2 g l 0 2 l0 3 d 3,35 d 6,35 d 3 3 6,35.3,1416.1,38.10 27,5.10 (m) Chieàu daøi oáng loø xo L: d d L N. f 1677.3.1,38.10 3 1,38.10 3 7(m) 2 2 Ví duï 2.2. Moät loø ñieän nhieät ñöôïc trang bò ba phaàn töû ñoát noùng gioáng nhau laøm töø vaät lieäu hôïp kim fer-chrome-aluminium, noái vôùi nhau theo sô ñoà hình tam giaùc. Loø coù coâng suaát 81 KW ôû nhieät ñoä laøm vieäc. Ñeå taêng tuoåi thoï cuûa chuùng ôû nhieät ñoä laøm vieäc ñöôïc giôùi haïn ôû 10500C. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 15
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Chuùng coù maät ñoä nhieät thoâng beà maët laø = 1w/cm2. Loø ñöôïc cung caáp bôûi nguoàn ñieän 3 pha, 380V. Haõy xaùc ñònh ñöôøng kính vaø chieàu daøi caàn cho moät phaàn töû d vaø l. Bieát ñieän trôû suaát cuûa hôïp kim ôû 200C laø = 1,45.10-6 m, heä soá nhieät ñieän trôû: = 40 . 10-6 (1/0C). Giaûi: Coâng suaát toûa nhieät cuûa moät phaàn töû: 81000 P 27000(W ) 3 Ñieän trôû suaát ôû 10500C laø: 0 (1 .1050) 1050 0 C 1,45.10 6 Vôùi: 00 C 1 .20 1 40.10 6.1050 Töø ñoù: 6 6 1050 1,45.10 6 1,51.10 ( m) 1 40.10 .20 Suaát nhieät thoâng treân beà maët vaät theå laø = 1w/cm2 hoaëc: 1. 104 w/m2 Ñöôøng kính d ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc ôû ví duï 2.1: 2 6 2 4 P 4.1,51.10 .(27000) 3 3 3 d 2 2 2 2 6,76.10 (m) U .(380) .10000 Chieàu daøi daây daãn cho moät phaàn töû: P 27000 l 127,4(m) .d. .6,76.10 3.10000 Ví duï 2.3. Moät phaàn töû ñoát noùng coù chieàu daøi L = 1,5m ñöôïc ñaët naèm ngang trong 0 0 khoâng khí coù nhieät ñoä 0 = 20 C. Nhieät ñoä beà maët ngoaøi cuûa phaàn töû laø 800 C. Phaàn töû coù caáu taïo hình oáng laøm töø hôïp kim nickel – chrome 80/20 vaø coù ñöôøng kính ngoaøi Dn = 12,5mm, beà daøy e = 1mm. Beân trong oáng chöùa periclaz (MgO) trong ñoù coù ñaët sôïi ñoát ñöôøng kính d ñöôïc quaán thaønh hình oáng loø xo coù ñöôøng kính DL = 7,5mm. Haõy xaùc ñònh: 1. Nhieät khoâng do phaàn töû ñoát noùng sinh ra T. 2. Söï phaân boå nhieät beân trong phaàn töû. 3. Ñöôøng kính d vaø chieàu daøi l cuûa sôïi ñoát sao cho nhieät thoâng beà maët cuûa noù laø = 7 /cm2. Caùc soá lieäu: Heä soá daãn nhieät: 0 0 oâ = 12 w/(m. K), MgOâ = 7,6 w/(m. K) 0 0 khoâng khí ôû 410 C coù: KKâ = 0,05214 w/(m. K) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 16
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Heä soá truyeàn nhieät ñoái löu: 4 n 0 g K C C 0,43 KK 2 Dn va .Ttb 0 Vôùi: n : nhieät ñoä beà maët ngoaøi cuûa oáng – 800 C 0 0 : nhieät ñoä cuûa moâi tröôøng – 20 C Dn : ñöôøng kính ngoaøi oáng phaàn töû – 12,5mm KK : heä soá daãn nhieät khoâng khí ôû nhieät ñoä trung bình giöõa beà maët oáng vaø khoâng khí laø: 800 20 410(0 C) KK 2 g – gia toác troïng tröôøng – 9,8067 m/s2 2 va – löu löôïng khí – 64,132 mm /s 0 Ttb – nhieät ñoä trung bình giöõa khoâng khí vaø beà maët oáng tính theo K 0 Ttb = 410 + 273 = 683 ( K) Heä soá truyeàn nhieät böùc xaï: 4 4 Tn T0 Kb . T T n 0 Vôùi – heä soá phaûn xaï töø beà maët ngoaøi cuûa phaàn töû, = 0,86. = 5,67 . 10-8 w/(m2oK) haèng soá stefan. Tn – nhieät ñoä beà maët ngoaøi oáng phaàn töû tính theo. 0 0 K Tn –1073 K T0 – nhieät ñoä moâi tröôøng tính theo 0K –2930K. Hình V.2.3 Ñieän trôû suaát sôïi ñoát = 1,14.10-6 m, ñieän aùp nguoàn U = 220V. Giaûi: 1. Nhieät thoâng do phaàn töû cung caáp: Coâng thöùc Newton coù daïng: T = KT . S ( n - 0) Trong ñoù: 2 o KT = Kñ + Kb – heä soá toûa nhieät (w/(m . K) 0 n – nhieät ñoä beà maët ngoaøi phaàn töû = 800 C 0 0 – nhieät ñoä khoâng khí xung quanh = 20 C S – beà maët toûa nhieät BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 17
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Tính KT : 800 20 4 K d C 3 12,5.10 g 9,8067.106 4 4 C 0,43. K 2 2 0,969 va .Ttb (64,132) .683 780 2o K 0,969.4 15,32(w/(m K)) d 12,5.10 3 4 4 8 (1073) .(293) 2 o Kb 0,86.5,67.10 82,41(w/(m . K)) 1073 293 2 o Töø ñoù: KT = 15,32 + 82,41 = 97,73 (w/(m . K). Nhieät thoâng: -3 T = 97,73. 58,9 . 10 (800 – 20) = 4490 (W) 2. Phaân boá beân trong phaàn töû ñoát noùng coù theå phaân chia thaønh 3 khu vöïc: - Khu vöïc trong beà daøy thaønh oáng. - Khu vöïc töø beân trong thaønh oáng ñeán sôïi ñoát. - Khu vöïc beân trong sôïi ñoát. Khu vöïc trong beà daøy thaønh oáng: Aùp duïng ñònh luaät Fourier cho oáng truï coù baùn kính rvaø b daøy dr, daøi L, ta d coù coâng thöùc: 2 rL T dr Töø ñoù: D T ln n t n 2 .L D 2e o n Nhieät ñoä beà maët trong cuûa oáng phaàn töû : D T ln n t n 2 o .L Dn 2e 3 4490 12,5.10 o t 800 ln 3 807( C) 2.3,14.12.1,5 10,5.10 Khu vöïc töø beà maët trong thaønh oáng cho tôùi sôïi ñoát: Dn 2e T ln L t 2 . .L D MgO L 4490 10,5 807 ln 828(0 C) L 2.3,14.7,6.15 7,5 d Nhieät ñoä beân trong loø xo sôïi ñoát : 2 r.L T dr Vì T truyeàn theo höôùng kính töø sôïi ñoát ra beân ngoaøi thaønh oáng phaàn töû, neân ôû khu vöïc naøy coù theå xem T = 0, vì vaäy: d 0 ; 828(0 C) dr L BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 18
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 3. Ñöôøng kính d vaø chieàu daøi l cuûa daây ñieän trôû: Aùp duïng caùc coâng thöùc ñaõ bieát: 4.1,14.10 6 (4490) 2 d 3 2 .(220) 2 .7.104 4490 l 15,58(m) .1,4.10 3.7.104 Ví duï 2.4. Ñeå ñun noùng moät chaát loûng, ngöôøi ta söû duïng caùc phaàn töû ñoát noùng laøm töø caùch ñieän khoaùng chaát coù caùc ñaëc tính sau: - Ñöôøng kính ngoaøi dn = 2,5mm - Ñieän trôû treân ñôn vò daøi ôû nhieät ñoä laøm vieäc r = 10 /m 2 - Coâng suaát beà maët cöïc ñaïi: 0 = 400KW/m - Ñieän aùp nguoàn U = 280V - Coâng suaát caàn thieát ñeå ñun noùng P = 6 KW. Haõy xaùc ñònh : 1. Chieàu daøi toái thieåu cuûa moät phaàn töû lmin. 2. Soá löôïng phaàn töû noái song song N. 3. Chieàu daøi moãi phaàn töû l. Giaûi: 1. Chieàu daøi toái thieåu cuûa moät phaàn töû lmin. Coâng suaát toûa nhieät: U 2 U 2 P (1) R rl Coâng suaát toûa nhieät beå maët: P P (2) S .dnl Thay (1) vaøo (2) ta ñöôïc: 2 U 2 (3) l r.dn Coâng suaát naøy phaûi nhoû hôn giaù trò cöõc ñaïi 0, töø ñoù: U 2 l 2r.d 0 n U 2 Hay: l 2 l 2r.d 0 n Töø ñoù: U lmin (4) .r.dn 0 230 lmin 1,30(m) .10.2,5.10 3.400.103 BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 19
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 2. Soá löôïng phaàn töø noái song song N: Coâng suaát Pmin toûa ra töø moät phaàn töû coù chieàu daøi lmin laø: U 2 (230)2 P 4069(W ) min r.lmin 10.1,3 Töø ñoù löôïng phaàn töû noái song song N: P 5000 N 1,23 P 4069 min Coù theå ñaët: N = 2 3. Chieàu daøi cuûa moät phaàn töû l: Coâng suaát toûa nhieät töø moät phaàn töû: P 5000 P 2500(W ) T N 2 Maët khaùc: U 2 P T r.l U 2 (230)2 Suy ra: l 2,116m r.PT 10.2500 Vaäy: l = 2,12 (m) Ví duï 2.5. Ñeå tinh luyeän caùc thoûi theùp vaø hình thaønh thoûi ñuùc hình truï, ngöôøi ta thöïc hieän trong loø luyeän ñaëc bieät. Caùc thoûi theùp coù ñöôøng kính dr = 150mm vaø daøi l1 = 5m (thoûi ñieän cöïc). Caùc thoûi theùp ñuùc hình truï coù ñöôøng kính d2 = 400mm vaø daøi l2 = 10m. Loø tinh luyeän ñöôïc laøm maùt baèng nöôùc coù ñöôøng kính trong dc=0,46m, thaønh loø ñöôïc cheá taïo töø vaät lieäu ñoàng coù heä soá daãn nhieät cu = 395W (m.oK) vaø daøy e = 2cm, bò bao phuû bôûi xæ ñoâng cöùng coù beà daøy exi = 3cm vaø coù o heä soá daãn nhieät: xi = 1,2 (W/ K.m). Ñaùy loø tinh luyeän coù theå thaùp raùp deã daøng. Chaäu kim loaïi noùng chaûy coù 0 chieàu cao h = 0,90m vaø coù nhieät ñoä nc = 1750 C. Noù ñöôïc bao phuû bôûi moät lôùp xæ moûng ôû traïng thaùi chaûy loûng coù nhieät ñoä laø 17500C vaø coù heä soá phaûn xaï = 0 0,28. Nhieät ñoä trung bình cuûa nöôùc trong beå keát tinh laø H2O = 50 C, nhieät ñoä cuûa 0 moâi tröôøng laø 0 = 27 C. Xaùc ñònh: 1. Soá löôïng thoûi kim loaïi caàn thieát ñeå hình thaønh moät khoái ñuùc hình truï vaø khoái löôïng cuûa noù. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 20
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 2. Coâng suaát caàn thieát ñeå saûn xuaát caùc thoûi kim loaïi ñuùc khi toác ñoä laø 5cm/phuùt. 3. Coâng suaát laép ñaët ñieän neáu cho raèng hieäu suaát cuûa thieát bò laø = 95% Caùc soá lieäu: boû qua toån hao nhieät khi ñöa thoûi kim loaïi vaøo vaø laáy thoûi ñuùc ra khoûi loø tinh luyeän. Theùp:Khoái löôïng rieâng : = 7958 Kg/m3 o Tyû nhieät : CT = 0,1325 Wh (Kg K) Nhieät aån : L = 50 Wh/Kg Heä soá truyeàn nhieät: 2 o Chaäu kim loaïi noùng chaûy – xæ : Kx = 1000 w /(m . K) 2 o Thaønh loø – nöôùc laøm maùt : KH = 2000 w /(m . K) Haèng soá Stefan : = 5,67.10-8 w /(m2.oK) Giaûi: 1. Soá löôïng thoûi ñieän cöïc ñeå taïo thaønh thoûi ñuùc. Theå tích moät ñieän cöïc: 2 2 .d I l1 (0,15) 3 V .5 0,088 (m ) 1 4 4 2 2 Theå tích thoûi ñuùc: .d2 l2 (0,4) 3 V2 .10 1,257 (m ) 4 4 BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 21
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN V 1,257 Soá löôïng thoûi ñieän cöïc. N 2 14,3 V1 0,088 Khoái löôïng thoûi ñùuùc: m2 .V2 7958.1,257 10.000(kg) 2. Coâng suaát caàn thieát: Thôøi gian caàn thieát ñeå taïo moät thoûi ñuùc: Thôøi gian caàn thieát ñeå nhaän ñöôïc khoái hình truï 10m vôùi vaän toác V = 5cm/phuùt laø: t = 10 / 0,05 = 200 (phuùt) Tính toång naêng löôïng, bao goàm: - Naêng löôïng caàn thieát ñeå naáu chaûy E1. - Naêng löôïng nhieät truyeàn ra nöôùc laøm maùt E2. - Naêng löôïng nhieät böùc xaï töø beà maët chaäu kim loaïi noùng chaûy E3. 1. Naêng löôïng caàn thieát ñeå naáu chaûy E1 bao goàm: 0 Naêng löôïng caàn thieát ñeå ñoát noùng theùp töø nhieät ñoä moâi tröôøng 0 = 27 C 0 leân ñeán giaù trò nhieät ñoä noùng chaûy cuûa theùp nc = 1750 C laø: 3 m2CT ( nc - 0) = 10.000x0,1325 (1750 – 27) = 2283.10 (Wh) Naêng löôïng caàn thieát ñeå naáu chaûy theùp: 3 m2 . L = 10.000 . 50 = 500 . 10 (Wh) Vaäy E1 = 2283 + 500 = 2783 (KWh) 2. Naêng löôïng nhieät truyeàn ra nöôùc laøm maùt E2. Heä soá truyeàn nhieät chung K: 1 1 e1 e 1 K K K x x cu H 1 1 0,83 0,02 1 0,0266(o Km2 /W ) K 1000 1,2 395 2000 Dieän tích beà maët thaønh loø: 2 S dch .0,46.0,9 1,30(m ) Coâng suaát nhieät truyeàn vaøo nöôùc laøm maùt baèng: E2 H .t K.S( nc H )t 1 200 .1,3(1750 50). 277(KWh) 0,0266 60 3. Nhieät tieâu taùn do böùc xaï töø beà maët chaäu kim loaïi noùng chaûy E3. 4 4 Trong ñoù: E3 (T1 T0 )Sb .t - heä soá phaûn xaï = 0,28 - haèng soá Steùfan = 5,67 . 10-8 W/(oK.m2) Sb – beà maët böùc xaï cuûa lôùp xæ: S (d 2 d 2 ) [(0,46)2 (0,15)2 ] 0,1485(m2 ) b 4 c 1 4 BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 22
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN T1 – nhieät ñoä treân beà maët chaäu kim loaïi noùng chaûy: 1750 + 273 = 2023 (oK) o T0 – nhieät ñoä moâi tröôøng = 27 + 273 = 300 ( K) Töø ñoù: 200 E 0,28.5,67.10 8.0,1485[2023)4 (300)4 ]. 3 60 131560(Wh) Hay: E3 131,6(KWh) 4. Toång naêng löôïng ñeå taïo ra moät thoûi ñuùc: E E1 E2 E3 2783 277 131,6 3191,6(KWh) 5. Coâng suaát nhieät caàn thieát: E 3191,6.60 P 957,6(KW ) t 200 6. Coâng suaát laép ñaët: P 957,6 P 1008(KW ) d 0,95 BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 23
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN oOo 3.1. BAÛN CHAÁT VAÄT LYÙ VAØ PHAÂN LOAÏI CAÙC DAÏNG HAØN TIEÁP XUÙC: Haøn tieáp xuùc laø quaù trình hình thaønh söï noái cöùng kim loaïi nhôø doøng ñieän chaûy qua moái noái. Khi kim loaïi ñaõ bò noùng chaûy vaø khi coù aùp löïc neùn giöõa hai chi tieát noái, nhôù quaù trình daãn nhieät trong baûn thaân vaät theå kim loaïi, vuøng noùng chaûy bò nguoäi ñi nhanh choùng vaø ñoâng cöùng. Haøn tieáp xuùc laø bieän phaùp haøn kim loaïi phoå bieán trong coâng nghieäp, coù caùc öu ñieåm sau ñaây: Taïo ra moái haøn toát, tin caäy, coù theå tieán haønh töï ñoäng hoaù quaù trình haøn moät caùch deã daøng, naêng suaát haøn cao. Khi coù doøng ñieän I chaûy qua moái haøn, nhieät löôïng Q sinh ra coù theå bieåu dieãn theo: t Ì Q Rt (t) Rct (t) I (t)dt (3.1) 0 Ôû ñaây: Rt (t) – laø ñieän trôû tieáp xuùc giöõa hai chi tieát haøn Rct (t) – laø ñieän trôû cuûa chi tieát haøn T – laø thôøi gian doøng ñieän chaûy qua moái haøn. Töø (3.1) thaáy raèng, naêng löôïng caàn thieát cung caáp cho moái haøn laø do doøng ñieän sinh ra, vì vaäy khi caùc giaù trò Rt vaø Rct nhoû thì giaù trò doøng ñieän naøy thöôøng phaûi raát lôùn (haøng ngaøn amperes), thôøi gian caàn thieát ñeå taïo ra moái haøn chaéc chaén chæ laø moät vaøi giaây. Ñeå taêng hieäu suaát haøn tieáp xuùc phaûi laøm sao ñeå cho toång ñieän trôû maïch ñieän qua moái haøn caøng nhoû caøng toát. Ñieän aùp giöõa hai ñieän cöïc aùp saùt moái haøn laø vaøo khoaûng 1 – 16V. Hai chi tieát haøn bò ñoát noùng tröôùc tieân laø ôû choã tieáp xuùc giöõa chuùng, thöôøng thì beà maët tieáp xuùc khoâng ñöôïc baèng phaúng khi beà maët tieáp xuùc cuûa hai chi tieát aùp saùt vaøo vôùi nhau, treân thöïc teá hai chi tieát chæ tieáp xuùc vôùi nhau qua caùc ñieåm loài. Doøng ñieän chaûy töø chi tieát naøy sang chi tieát chi tieát kia chuû yeáu laø qua caùc ñieåm loài naøy, vì vaäy maät ñoä doøng ñieän ôû caùc ñieåm naøy raát cao. Nhieät do doøng ñieän sinh ra seõ laøm chuùng noùng leân daãn ñeán ñieän trôû ôû caùc ñieåm tieáp xuùc laïi taêng theâm nöõa, keát quaû laø caùc ñieåm tieáp xuùc bò noùng chaûy. Khi vuøng tieáp xuùc ñaõ bò noùng chaûy, nhôø coù löïc eùp giöõa hai chi tieát haøn, ñieän trôû tieáp xuùc ñoät ngoät giaûm xuoáng, nhieät löôïng do doøng ñieän sinh ra giaûm nhanh choùng, moái haøn coù xu höôùng ñoâng cöùng laïi. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 24
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Ngoaøi ra, nhieät löôïng cung caáp cho moái haøn coøn phuï thuoäc vaøo thôøi gian t. Khi t nhoû, doøng ñieän caàn thieát phaûi lôùn. Cheá ñoä naøy laø cheá ñoä laøm vieäc naëng neà ñoái vôùi maùy bieán aùp taïo ra doøng ñieän haøn. Cheá ñoä naøy thöôøng ñöôïc aùp duïng ñeå haøn kim loaïi maøu, ví duï khi haøn nhoâm vaø hôïp kim nhoâm phaûi ñaûm baûo caùc giaù trò nhö sau: J = 160 – 400 A/mm2, P = 0,25 – 0,4 Gpa, thôøi gian t = 0,5 – 3s. Coù theå phaân bieät 3 daïng haøn tieáp xuùc nhö sau: haøn noái, haøn ñieåm, haøn laên (coøn goïi laø haøn may) (H.3.1) Thoâng thöôøng, thieát bò haøn tieáp xuùc bao goàm hai phaàn chính: phaàn ñieän vaø phaàn cô caáu truyeàn ñoäng ñieän cöïc. 1. Phaàn ñieän bao goàm maùy bieán aùp vôùi keát caáu ñaëc bieät, heä thoáng maïch voøng daãn ñieän qua moái haøn vaø thieát bò ñieàu khieån ñoùng – caét doøng ñieän haøn. 2. Phaàn cô caáu truyeàn ñoäng ñieän cöïc taïo ra xung löïc eùp caùc chi tieát haøn vaøo vôùi nhau. 3.2. HAØN NOÁI ÑAÀU: Laø phöông phaùp haøn tieáp xuùc, ôû ñoù caùc chi tieát ñöôïc noái gheùp vôùi nhau qua maët caét tieát dieän cuûa chuùng. Coù hai phöông phaùp haøn noái ñaàu chính: haøn ñieän trôû vaø haøn noùng chaûy. Haøn ñieän trôû (H.3.1a) vaät haøn 2 ñöôïc keïp chaët vaøo ñaàu coát noái ñieän 1 vaø ñöôïc eùp bôûi löïc P, khi coù doøng ñieän chaûy qua, nhieät sinh ra ôû choã tieáp xuùc taêng leân, khi ñaõ gaàn ñaït ñeán nhieät ñoä noùng chaûy (T = 0,8 ñeán 0,9 Tnc) löïc eùp P ñoät ngoät taêng leân, taïo ra moái haøn ngay khi vaät haøn coøn ñang ôû traïng thaùi raén. Haøn noùng chaûy coù theå chia ra thaønh: noùng chaûy do ñoát noùng lieân tuïc vaø noùng chaûy do ñoát noùng khoâng lieân tuïc. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 25
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 1. Phöông phaùp haøn noùng chaûy do ñoát noùng lieân tuïc, khi doøng ñieän chaûy qua moái haøn, löïc eùp P ñöôïc giöõ ôû moät giaù trò khoâng ñoåi nhaát ñònh, sau ñoù giaûm löïc P laøm cho ñieän trôû tieáp xuùc taêng leân do ñoù nhieät löôïng cung caáp cho moái haøn taêng leân laøm cho kim loaïi bò noùng chaûy. Nhôø löïc eùp P, kim loaïi noùng chaûy seõ laáp kín beà maët tieáp xuùc giöõa hai chi tieát taïo ra moái haøn chaéc chaén. 2. Phöông phaùp haøn noùng chaûy do ñoát noùng khoâng lieân tuïc, caùc chi tieát ñöôïc ñoùng nhaép vaøo vôùi nhau nhieàu laàn, nhieät löôïng sinh ra ôû ñaây laø do doøng ñieän chaûy qua moái haøn vaø do tia löûa ñieän phaùt sinh khi hai ñaàu chi tieát haøn ñoùng nhaép vaøo vôùi nhau. Haøn noùng chaûy coù nhieàu öu ñieåm so vôùi haøn noái ñieän trôû: moái haøn beàn chaéc hôn, khoâng caàn thieát phaûi xöû lyù gia coâng cô khí moái haøn nhieàu sau khi ñaõ haøn xong, coâng suaát thieát bò khoâng caàn lôùn, chi phí naêng löôïng thaáp hôn. Keát caáu maùy haøn noái ñaàu ñöôïc trình baøy trong (H.3.2) 3.3. HAØN ÑIEÅM: Khi hai chi tieát haøn ñöôïc ñaët choàng leân nhau, naèm giöõa caùc ñieän cöïc ñöôïc eùp chaët baèng löïc eùp P (H.3.1b) vaø khi cho doøng ñieän chaïy qua, cung caáp cho choã tieáp xuùc nhieät löôïng caàn thieát laøm cho noùng chaûy kim loaïi taïo ra moái haøn. Thoâng thöôøng, moái haøn coù ñöôøng kính gaàn baèng ñöôøng kính cuûa ñaàu tieáp xuùc ñieän cöïc. Thôøi gian caàn thieát cho moät moái haøn phuï thuoäc vaøo beà daøy vaät haøn, vaøo tíhn chaát vaät lyù cuûa kim loaïi haøn, vaøo coâng suaát thieát bò haøn, vaøo löïc eùp ñaët leân choã tieáp xuùc, coù theå dao ñoäng töø phaàn ngaøn giaây (haøn kim loaïi maøu) tôùi vaøi giaây. Maùy haøn ñieåm thoâng duïng coù caáu truùc nhö trong (H.3.1b). BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 26
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Ñieän cöïc treân vaø döôùi beà maët tieáp xuùc ñaûm baûo maät ñoä doøng ñieän caàn thieát ñöa qua moái haøn. (H.3.3) cho thaáy chu trình keát hôïp giöõa doøng ñieän I vaø löïc eùp P thöïc hieän cho moät moái haøn ñieåm. Ñeå loaïi tröø veát haøn treân beà maët kim loaïi coù theå söû duïng caùc bieän phaùp moâ taû trong caùc sô ñoà ôû (H.3.4). Ñieàu naøy ñöôïc thöïc hieän baèng caùch taêng beà maët coâng taùc cuûa moät trong hai ñieän cöïc (H.3.4a), haøn vôùi ñieän cöïc phaúng (H.3.4b) hoaëc giöõa hai ñieän cöïc BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 27
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN bình thöôøng coù loùt moät taám kim loaïi (H.3.4c,d,e). khi haøn caùc taám kim loaïi moûng coù theå söû duïng maùy haøn moät maët nhieàu ñieåm haøn (H.3.4g). khi caàn phaûi haøn taám kim loaïi daøy, nhieàu ñieåm coù theå söû duïng 2 maùy haøn song song (H.3.4h) Heä thoáng cô caáu taïo löïc eùp P treân caùc chi tieát haøn cuõng raát ña daïng: coù theå söû duïng loaïi cô caáu vôùi baøn ñaïp chaân (peùdale), cô caáu duøng ñieän (motoô hoaëc nam chaâm ñieän), cô caáu duøng khí neùn hoaëc thuûy löïc. Heä thoáng cô caáu taïo löïc eùp trong caùc maùy haøn ñieåm coù lieân quan maät thieát ñeán thôøi ñieåm ñoùng – caét doøng ñieän chaûy qua moái haøn. Thoâng thöôøng thöù töï thöïc hieän thao taùc maùy haøn ñieåm nhö sau: ñieän cöïc eùp chi tieát haøn khi chöa cho doøng ñieän chaûy qua moái haøn, sau ñoù ñoùng maïch ñieän ñeå cho doøng ñieän chaûy qua, sau moät thôøi gian nhaát ñònh ngaét doøng ñieän vaø naêng ñieän cöïc leân, moái haøn ñaõ ñöôïc thöïc hieän. Ñieàu chænh doøng ñieän vaø ñieäp aùp ôû maïch thöù caáp maùy bieán aùp ñöôïc thöïc hieän baèng caùch thay ñoåi soá voøng daây sô caáp cuûa noù. Thôøi gian doøng ñieän chaûy qua moái haøn coù theå chænh ñònh nhôø relay thôøi gian hoaëc nhôø tieáp ñieåm haønh trình. Coù theå cheá taïo maùy haøn nhieàu ñieåm ñoàng thôøi. Coù 2 loaïi maùy haøn kieåu nhö vaäy: Loaïi thöù nhaát, treân taám kim loaïi chæ boá trí 2 ñieän cöïc, doøng ñieän haøn chaûy töø ñieän cöïc naøy sang ñieän cöïc kia ñeå taïo ra moái haøn. Loaïi thöù hai, treân taám kim loaïi boá trí ñoàng thôøi nhieàu caëp ñieän cöïc, doøng ñieän chaûy laàn löôït qua töøng caëp cöïc vaø thöïc hieän caùc moái haøn ñoàng thôøi. Ñieän cöïc cuûa maùy haøn ñieåm ñöôïc ñaët beân trong oå cöïc ñöôïc cheá taïo töø ñoàng thau. Trong caùc oå cöïc coù boá trí caùc raõnh nöôùc laøm maùt. Ñieän cöïc ñöôïc cheátaïo töø ñoàng ñoû caùn laïnh hoaëc töø hôïp kim ñoàng – chrome – nickel. 3.4. HAØN LAÊN (HAØN MAY): ÔÛ haøn laên, hai chi tieát haøn (taám kim loaïi) ñöôïc ñaët giöõa caùc ñieän cöïc coù daïng hình baùnh xe laên (H.3.5). BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 28
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Moät trong hai baùnh xe ñoù laø baùnh xe chuû ñoäng ñöôïc noái vôùi heä thoáng cô caáu truyeàn ñoäng quay. Veà nguyeân taéc, maùy haøn laên hoaït ñoäng nhö maùy haøn ñieåm. Ñeå thöïc hieän caùc moái haøn lieân tuïc kieåu may coù theå ñieàu khieån doøng ñieän qua ñieän cöïc nhö sau: 1. Ñieän cöïc chuyeån ñoäng lieân tuïc nhöng doøng ñieän truyeàn qua theo chu kyø phuï thuoäc vaøo ñoaïn ñöôøng, thôøi gian vaø khoaûng caùch giöõa caùc moái haøn. 2. Ñieän cöïc laên khoâng lieân tuïc vaø doøng ñieän ñöa qua cuõng khoâng lieân tuïc. 3. Ñieän cöïc laên lieân tuïc vaø doøng ñieän ñöa qua ñieän cöïc cuõng lieân tuïc. Ñoái vôùi loaïi naøy chæ haøn caùc taám kim loaïi coù beà daøy toång coäng nhoû hôn 1,5mm. Thoâng duïng nhaát laø cheá ñoä laên lieân tuïc vaø doøng ñieän ñöa qua theo chu kyø. Maùy haøn laên ñaït hieäu quaû cao trong caùc tröôøng hôïp haøn oáng kim loaïi. 3.5. TRANG BÒ ÑIEÄN MAÙY HAØN TIEÁP XUÙC: Tuyø thuoäc vaøo daïng nguoàn ñieän cung caáp, maùy haøn tieáp xuùc coù theå chia thaønh: 1. Maùy moät pha taàn soá coâng nghieäp hoaëc taàn soá giaûm thaáp. 2. Maùy moät chieàu vôùi doøng ñieän chænh löu beân thöù caáp. 3. Maùy ba pha taàn soá thaáp vôùi boä bieán ñoåi thyristors. 4. Maùy daïng tích luyõ naêng löôïng (duøng tuï ñieän). Maùy moät chieàu coù nhieàu öu ñieåm trong vieäc haøn kim loaïi maøu nhö: haøn nhoâm taám hoaëc hôïp kim nhoâm daøy, titan, theùp chòu nhieät vaø theùp khoâng ræ. Söû duïng maùy moät chieàu trong haøn laên cho pheùp taêng toác ñoä haøn vôùi chaát löôïng haøn raát toát. Khi haøn nhieàu ñieän cöïc ñoàng thôøi chæ caàn söû duïng 1 nguoàn ñieän. Maùy tích luyõ naêng löôïng duøng trong vieäc haøn caùc taám kim loaïi meàm, moûng. Phaàn ñieän ñoäng löïc trong maùy haøn tieáp xuùc caàn ñaûm baûo sinh ra doøng ñieän töø 2 ñeán 10 KA, töø nguoàn ñieän 380V hoaëc 220V ôû coâng suaát töø vaøi chuïc tôùi vaøi traêm KVA. ÔÛ maùy haøn moät pha xoay chieàu (H.3.6), maùy bieán aùp haøn 3 ñöôïc ñoùng vaøo nguoàn ñieän xoay chieàu qua caàu dao 1 vaø caàu chaûy 2 ñöôïc ñieàu chænh coâng suaát qua coâng taéc xoay 4. Heä thoáng caáp ñieän ñoäng löïc ñöôïc ñoùng caét nhôø tieáp ñieåm 5 (hoaëc SCR). Thôøi ñieåm ñoùng – caét ñöôïc ñieàu khieån bôûi boä ñieàu khieån BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 29
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 6. Trong caùc xí nghieäp coâng nghieäp, maùy moät pha thöôøng gaây ra phieàn phöùc. Khi phuï taûi lôùn coù theå gaây ra leäch pha löôùi ñieän. Nhaát laø khi maùy laøm vieäc ôû cheá ñoä ngaén haïn laëp laïi coù theå gaây ra söï bieán ñoåi thöôøng xuyeân trong löôùi ñieän, aûnh höôûng xaáu tôùi caùc thieát bò duøng ñieän khaùc. Heä soá coâng suaát cos cuûa maùy haøn tieáp xuùc laø vaøo khoaûng töø 0,5 ñeán 0,6. Ñeå naâng cao caùc chæ tieâu naêng löôïng cuûa maùy haøn moät pha (giaûm coâng suaát tieâu thuï, taêng cos ). ÔÛ cuøng moät giaù trò doøng ñieän vaø kích thöôùc cuûa maïch voøng thöù caáp, caàn phaûi giaûm taàn soá cuûa ñieän aùp thöù caáp maùy bieán aùp haøn. ÔÛ maùy haøn moät chieàu (maùy ba pha coù chænh löu doøng ñieän ôû maïch thöù caáp) (H.3.7). Cuoän daây sô caáp cuûa maùy bieán aùp 3 pha ñöôïc ñaáu theo tam giaùc, coøn cuoän daây thöù caáp ñöôïc ñaáu theo hình sao qua caùc diode D1, D2, D3. Ñieàu khieån ñoùng – caét maùy bieán aùp vaø ñieàu chænh doøng ñieän nhôø caùc cöïc moài (IGNITOR) I1, I2, I3. (hoaëc nhôø caùc thyristor) maéc noái tieáp vôùi caùc cuoän daây sô caáp. Khi ñoùng ngaét töùc thôøi doøng ñieän i1 qua thyristor T1 vaø cuoän daây thöù nhaát cuûa maùy bieán aùp ba pha trong thôøi gian baèng 2 /3 vaø khi ñieän aùp töùc thôøi cuûa pha thöù nhaát coøn ñang lôùn hôn so vôùi ñieän aùp ôû 2 pha coøn laïi, doøng ñieän khoâng chaûy qua hai pha coøn laïi. ÔÛ 1/3 chu kyø tieáp theo doøng ñieän chæ chaïy qua thyristor T2 Söï chuyeån tieáp doøng ñieän töø pha naøy sang pha kia xaûy ra taïi thôøi ñieåm caét nhau cuûa caùc baûn kyø döông ôû caùc pha kia xaûy ra taïi thôøi ñieåm caét nhau cuûa caùc baûn kyø döông ôû caùc pha (ñieåm P, Q, R trong H.3.7). BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 30
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Doøng ñieän trong maïch thöù caáp seõ coù daïng nhö ñöôïc moâ taû ôû (H.3.7d) vaø coù theå ñöôïc bieåu dieãn gaàn ñuùng theo coâng thöùc: -t/T i2 = (U2 / R2) (1 – e ) (3.2) vôùi: U2 – ñieän aùp chænh löu thöù caáp, (V) R2 – ñieän trôû maïch voøng thöù caáp, ( ) T = L2 / R2 – haèng soá thôøi gian töông ñöông. L2 – töï caûm cuûa maïch voøng thöù caáp (H). Maùy haøn tieáp xuùc daïng naøy coù nhöõng öu ñieåm nhö sau: phaân boá pha ñeàu ôû beân maïch sô caáp. Coù khaû naêng ñieàu chænh hình daïng vaø ñoä daøi xung doøng ñieän roäng. Coâng suaát tieâu thuï ít hôn so vôùi maùy moät pha. Ñaëc bieät khi duøng ñeå haøn kim loaïi maøu noù öu vieät hôn haún so vôùi maùy moät pha. Ñeå ñaûm baûo naêng suaát vaø chaát löôïng moái haøn caàn phaûi xaùc ñònh thôøi gian haøn cho töøng chu trình haøn. Ñieàu naøy coù theå ñaûm baûo ñöôïc nhôø heä thoáng ñieàu khieån ñoùng caét cuûa maùy. Moät trong caùc phaàn töû ñieàu khieån laø aptomat coù coâng duïng nhö moät boä coâng taéc ngaét cô khí. Ngoaøi ra trong maùy haøn tieáp xuùc coøn coù theå boá trí caùc contact ñieän töø khoâng ñoàng boä hoaëc ñoàng boä. Boä coâng taéc ngaét cô khí bao goàm caùc tieáp ñieåm tónh vaø ñoäng gaén ôû maïch sô caáp ôû maùy bieán aùp. Truyeàn ñoäng cô khí cuûa boä tieáp ñieåm naøy coù lieân quan tröïc tieáp ñeán heä thoáng taïo löïc eùp leân caùc chi tieát haøn. Tieáp ñieåm contact khoâng ñoàng boä söû duïng trong maùy haøn tieáp xuùc thöôøng coù tuoåi thoï tieáp ñieåm thaáp, vì phaûi ñoùng ngaét doøng ñieän haøn ôû baát kyø thôøi ñieåm naøo trong chu kyø bieán thieân hình sin cuûa noù. Ñeå khaéc phuïc nhöôïc ñieåm treân coù theå duøng boä tieáp ñieåm ñoàng boä. Tieáp ñieåm naøy ñaûm baûo ngaét ñoùng ñieän taïi thôøi ñieåm noù ñi qua trò soá zero. Nhôø ñoù tieáp ñieåm coù tuoåi thoï cao hôn. (H.3.8) Tieáp ñieåm K ñoùng – ngaét maùy bieán aùp (ba1) ñöôïc thieát keá vôùi hai cuoän daây CD1 vaø CD2. Cuoän daây phuï CD2 ñöôïc maéc vaøo maïch thöù caáp cuûa bieán aùp BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 31
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN (ba2). Sau khi ngaét doøng ñieän qua cuoän daây chính CD1 nhöng nhôø cuoän daây phuï CD2 tieáp ñieåm K vaãn ñöôïc giöõ ôû traïng thaùi ñoùng cho ñeán khi doøng ñieän ñi qua trò soá zero. Ñieàu khieån ñoùng ngaét tieáp ñieåm trong maïch sô caáp cuûa maùy bieán aùp coøn coù theå duøng caùc loaïi rôle thôøi gian (ñieän töû, cô khí, ñieän töø). Hình 3.9 trình baøy sô ñoà nguyeân lyù cuûa rôle thôøi gian duøng maïch phoùng – naïp tuï ñieän. Khi ñoùng khoùa K, tuï ñieän C ñöôïc naïo ñieän tôùi giaù trò cuûa nguoàn EK. Khi môû khoaù K, tuï ñieän C phoùng ñieän qua ñieän trôû R2 vaø cöïc phaùt E cuûa tranzito Tr1. Ñieän theá treân ñieåm A taêng daàn, doøng ñieän qua cöïc phaùt cuûa tranzito Tr2 taêng. Sau moät thôøi gian doøng ñieän naøy seõ ñaït ñöôïc giaù trò laøm cho rôle R taùc ñoäng, noù ñoùng heä thoáng tieáp ñieåm cuûa mình. Thôøi gian trì hoaõn phuï thuoäc vaøo trò soá cuûa C vaø R2. Cuõng döïa treân nguyeân taéc phoùng naïp tuï ñieän, (H.3.10) trình baøy sô ñoà boä trì hoaõn thôøi gian duøng UJT. Khi ñoåi noái A ñoùng ôû vò trí cung caáp ñieän cho maùy bieán aùp töï ngaãu AT. Ñieän aùp caàn thieát xuaát hieän giöõa ñieåm 2 vaø 3. Tuï ñieän C2 ñöôïc naïp qua diod D1 laøm cho ñieän theá cuûa ñieåm 4 cao hôn so vôùi ñieåm 3. Trong maïch cuûa rôle R seõ chaûy moät doøng ñieän coù trò soá nhoû, chöa ñuû ñeå R taùc ñoäng. Luùc naøy tuï ñieän C1 taêng daàn keùo theo ñieän theá ôû ñieåm 6 taêng leân. Khi ñieän theá ôû ñieåm 6 döông hôn so vôùi cöïc phaùt E cuûa UJT, maïch voøng D2EB1R seõ thoâng laøm cho tuï C1 phoùng qua UJT vaø cuoän daây cuûa rôle R, R taùc ñoäng laøm ñoùng tieáp ñieåm R ôû maïch caáp ñieän cho tieáp ñieåm C. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 32
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Trong maïch (H.3.11), ñieän trôû R5 vaø diot Zenel D1 ñöôïc duøng ñeå ñònh möùc ñieän aùp cung caáp cho tranzito moät tieáp giaùp UJT. Caùc ñieän trôû R1, R2 vaø tuï ñieän C1 taïo thaønh maïch ñònh thôøi. Ñieän aùp treân tuï C1 taêng daãn ñeán möùc kích daãn UJT, doøng ñieän qua R4 taïo xung döông kích môû SCR nhôø ñoù cuoän daây cuûa rôle R coù ñieän, rôle R taùc ñoäng. Trong maïch naøy, ñeå laëp laïi chu trình thao taùc caàn phaûi boå sung theâm maïch ngaét SCR. Sô ñoà trong (H.3.12) ñöa ra nguyeân lyù laøm treã duøng tranzito. ÔÛ ñaây nguoàn ñieän xoay chieàu ñöôïc cung caáp cho maùy bieán aùp giaûm aùp vi sai duøng ñeå caáp ñieän theá caàn thieát cho boä chænh löu toaøn soùng goàm caùc diot D1 vaø D2. Khi khoùa K ôû vò trí 1, tuï ñieän C2 ñöôïc naïp ñeán trò soá cuûa ñieän aùp nguoàn. Khi chuyeån khoùa K sang vò trí 2, tuï ñieän C2 phoùng ñieän qua maïch song song R2 ,R3 ,R4 vaø R1 , tieáp giaùp B - E cuûa tranzito, R5. Thôøi gian phoùng ñieän cuûa tuï C2 quyeát ñònh bôûi ñieän trôû töông ñöông cuûa maïch song song vaø giaù trò ñieän dung cuûa tuï ñieän. Doøng ñieän phoùng qua tieáp giaùp B - E taïo neân doøng ñieän goùp Ic ban ñaàu khaù lôùn laøm cho relay R taùc ñoäng. Sau ñoù ñieän aùp treân tuï C2 giaûm daàn, laøm cho Ic cuõng giaûm daàn, khi Ic nhoû hôn giaù trò doøng ñieän nhaû Inh cuûa rôle R, rôle nhaû ra, caùc tieáp ñieåm cuûa noù trôû veà traïng thaùi ban ñaàu. Thôøi gian giöõ rôle ôû traïng thaùi taùc ñoäng coù theå ñieàu chænh trong khoaûng töø 1 ñeán 100 giaây nhôø caùc bieán trôû R3 vaø R4. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 33
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 34
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN oOo 4.1. CÔ SÔÛ VAÄT LYÙ – KYÕ THUAÄT CUÛA ÑOÁT NOÙNG BAÈNG CAÛM ÖÙNG: Ñoát noùng moät vaät daãn ñieän nhôø caûm öùng ñöôïc thöïc hieän döïa treân cô sôû laøm haáp thuï beân trong vaät ñoù naêng löôïng ñieän töø xoay chieàu. Khi ñoù beân trong vaät daãn ñieän seõ caûm öùng caùc doøng ñieän Foucaults. Chuùng ñoát noùng vaät daãn theo luaät Jun. Töø tröôøng xoay chieàu ñöôïc cung caáp bôûi cuoän daây (H.4.1). Ñoái vôùi vaät theå ñöôïc ñoát noùng, cuoän daây naøy ñoùng vai troø nhö laø cuoän daây sô caáp cuûa moät MBA trong ñoù vaät theå ñoâùt noùng ñöôïc xem nhö laø cuoän daây thöù caáp noái ngaén maïch. Töø thoâng xoay chieàu do cuoän daây sinh ra tyû leä thuaän vôùi söùc töø ñoäng vaø tyû leä nghòch vôùi töø trôû cuûa heä thoáng. Khi ñoù beân trong vaät theå seõ caûm öùng sññ E. E = 4,44. f. W. (V) (4.1) Trong ñoù: - f laø taàn soá cuûa ñieän aùp ñaët leân cuoän daây (Hz) - W laø soá voøng daây. ÔÛ giaù trò xaùc ñònh cuûa ñieän trôû vaät daãn, beân trong noù seõ xuaát hieän caùc doøng ñieän Foucaults I, chuùng sinh ra coâng suaát nhieät. P = I2 r = E2 r / Z2 (4.2) Nhö vaäy, veà baûn chaát ñoát noùng caûm öùng cuõng töông töï nhö ñoát noùng ñieän trôû. Thay vì maéc vaät daãn ñieän tröïc tieáp vaøo maïch ñieän thì ôû ñaây laø do moái lieân heä ñieän töø. So vôùi ñoát noùng baèng ñieän trôû, ñoát noùng caûm öùng coù caùc öu ñieåm sau ñaây: 1. Toác ñoä ñoát noùng cao hôn vaø nhieät ñoä, tyû leä vôùi coâng suaát ñöa vaøo khoâng bò haïn cheá coù theå ñaït tôùi giaù trò laøm noùng chaûy kim loaïi vaø coù theå taïo ra plasma. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 35
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 2. Deã daøng ñieàu khieån caùc cheá ñoä sinh nhieät thích öùng ñoái vôùi nhieàu quaù trình coâng ngheä khaùc nhau. 3. Deã daøng thöïc hieän ôû moïi traïng thaùi hôû hoaëc kín, trong moâi tröôøng khí baûo veä vaø trong chaân khoâng. 4. Ñaëc ñieåm quan troïng cuûa ñoát noùng caûm öùng laø khaû naêng ñieàu chænh vuøng phaân boá cuûa doøng ñieän Foucaults beân trong vaät theå tuøy thuoäc vaøo taàn soá cuûa nguoàn kích töø. Ñoä thaám saâu cuûa töø tröôøng vaøo trong vaät theå tyû leä nghòch vôùi taàn soá. 5. Hieäu quaû truyeàn naêng löôïng töø tröôøng phuï thuoäc vaøo khe hôû khoâng khí ôû giöõa cuoän daây vaø vaät theå. 6. Cuõng gioáng nhö ôû ñoát noùng ñieän trôû, ñoát noùng caûm öùng cho naêng suaát laøm vieäc cao, ñaûm baûo ñieàu kieän lao ñoäng veä sinh vaø an toaøn. Cuoän daây kích töø coù hình daïng raát ña daïng : hình oáng, hình vuoâng, hình maët phaúng . Daïng hình oáng ñöôïc söû duïng thoâng duïng hôn caû. Khi coù doøng ñieän xoay chieàu chaûy trong daây daãn cuûa moät cuoän daây hình oáng, cöôøng ñoä töø tröôøng H xuaát hieän trong loøng oáng daây coù daïng ñeàu. Suaát naêng löôïng qua tieát dieän oáng coù theå ñöôïc bieåu dieãn baèng coâng thöùc: -9 2 2 Pq = 7,9.10 (IW) f ( D / 4) (4.3) Trong ñoù f laø taàn soá (Hz), D2 / 4 laø tieát dieän oáng daây, IW laø söùc töø ñoäng cuoän daây (A voøng). Coâng suaát trong loøng oáng daây laø coâng suaát thuaàn khaùng. Toån hao coâng suaát treân 1 meùt chieàu daøi oáng daây nhö sau: 6 2 Pi1,0 6,2.10 (IW )1,0 D . f Fi / Kl d (4.4) Piq 6,2.10 6 (IW )2 D . f Gi / K d (4.5) 1,0 1,0 l ÔÛ ñaây D laø ñöôøng kính oáng daây, – ñieän trôû suaát vaät lieäu laøm oáng daây, Fi, Gi – caùc giaù trò ñaëc tröng cuûa haøm Bessel cho döôùi daïng ñoà thò trong caùc soå tay toaùn, Klñ – heä soá laáp ñaày oáng daây. Toån hao coâng suaát trong khe hôû ôû giöõa cuoän daây vaø vaät daãn phuï thuoäc vaøo hình daïng cuûa vaät theå. Neáu trong loøng oáng daây ñaët moät vaät theå daãn ñieän hình truï, khi ñoù toån hao trong khe hôû seõ laø: 9 2 2 P q 6,2.10 (IW)1,0 fd[(D / d) 1] (4.6) Vôùi d laø ñöôøng kính cuûa vaät ñoát noùng. Naêng löôïng truyeàn vaøo vaät theå ñoát noùng ñöôïc xaùc ñònh gaàn ñuùng thoâng qua coâng suaát nhieät treân 1 meùt chieàu daøi. 6 2 P1,0 6,2.10 (IW)1,0 d . . f Fb (4.7) 6 2 Pq1,0 6,2.10 (IW) d . . f Gb (4.8) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 36
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Trong caùc coâng thöùc (4.4), (4.5), (4.6), (4.7), (4.8) caùc kyù hieäu coù chöõ q chæ coâng suaát phaûn khaùng. laø töø thaåm. (IW)1,0 – söùc töø ñoäng treân 1 meùt chieàu daøi oáng daây. Fb , Gb – caùc ñaïi löôïng ñaëc tröng cuûa haøm Bessel. Hieäu suaát oáng daây: 1/(1 Pi1,0 / P1,0 ) (4.9) Hieäu suaát toái ña laø vaøo khoaûng 0,7 ñeán 0,88. Hieäu suaát tyû leä thuaän vôùi taàn soá, tuy nhieân ôû moät giôùi haïn xaùc ñònh naøo ñoù cuûa taàn soá, hieäu suaát seõ khoâng thay ñoåi. Heä soá coâng suaát: 2 (Pq1,0 P q1,0 Piq1,0 ) cos 1/ 1 (4.10) P1,0 Pi1,0 Töø coâng thöùc (4.10) thaáy raèng, khi khe hôû caøng lôùn, daãn ñeán coâng suaát phaûn khaùng P 1,0 caøng lôùn vaø töø ñoù cos nhaän ñöôïc caøng thaáp. Beân trong vaät theå ñoát noùng, töø tröôøng xoay chieàu coù xu höôùng choáng laïi caùc doøng ñieän caûm öùng Foucaults vaø ñaåy chuùng ra beà maët beân ngoaøi cuûa vaät theå. Vì vaäy ñoát noùng caûm öùng veà baûn chaát laø ñoát noùng beà maët. Beân trong lôùp kim loaïi coù beà daøy tính töø beà maët ngoaøi thöôøng haáp thuï khoaûng 86,4% naêng löôïng truyeàn qua töø cuoän daây. 503 /( f ) (4.11) Töø coâng thöùc (4.11) suy ra raèng taêng leân khi taêng vaø giaûm khi taàn soá f taêng. Ñoái vôùi caùc vaät lieäu daãn töø, khi nhieät ñoä taêng seõ laøm cho ñieän trôû suaát taêng vaø khi nhieät ñoä ñaït tôùi ñieåm curie thì giaù trò cuûa ñoä töø thaåm töø 50 ñeán 100 seõ giaûm xuoáng coøn coù 1, vì vaäy seõ taêng leân moät caùch ñoät ngoät daãn ñeán coâng suaát haáp thuï giaûm xuoáng. Cuoän daây kích töø thöôøng coù daïng hình oáng solenoid. Giaù trò ñieän aùp treân moät voøng daây coù theå naèm trong moät phaïm vi khaù roäng töø 20 – 175V ñeán 400 – 600V, thaäm chí leân ñeán 1000V. doøng ñieän cuoän daây dao ñoäng töø vaøi traêm ñeán vaøi ngaøn ampeøres. Maät ñoä doøng ñieän trung bình laø vaøo khoaûng 20 A/mm2. Toån hao naêng löôïng coù theå chieám khoaûng 20 – 30% coâng suaát tieâu thuï cuûa thieát bò. Cuoän daây kích töø coù theå ñöôïc laøm maùt baèng caùc bieän phaùp cöôõng böùc. Vaät theå ñöôïc ñoát noùng coù theå ôû caùc traïng thaùi raén, loûng hoaëc plasma. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 37
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Phöông phaùp ñoát noùng baèng caûm öùng coù theå öùng duïng trong caùc quaù trình coâng ngheä nhö naáu chaûy kim loaïi, toâi beà maët kim loaïi, xöû lyù hoaù nhieät, haøn, laøm saïch töøng phaàn (cuïc boä) kim loaïi hoaëc chaát baùn daãn, thu nhaän ñôn tinh theå töø caùc oxyde khoù noùng chaûy vaø kích thích ñeå coù theå taïo ra plasma. 4.2. CAÙC THIEÁT BÒ NAÁU CHAÛY BAÈNG CAÛM ÖÙNG: Theo ñaëc ñieåm keát caáu, caùc thieát bò naáu chaûy kim loaïi coù theå chia ra thaønh hai loaïi: daïng raõnh vaø daïng noài. Töø caùc loø naáu kim loaïi baèng caûm öùng coù theå nhaän ñöôïc caùc vaät lieäu kim loaïi vaø baùn daãn coù ñoä tinh khieát cao, caùc hôïp kim vôùi neàn taûng laø caùc vaät lieäu khoù noùng chaûy vaø chòu löûa. 1. Loø naáu chaûy caûm öùng daïng raõnh: Trong caùc loø naøy, raõnh chöùa kim loaïi noùng chaûy ñöôïc xem nhö cuoän daây thöù caáp ngaén maïch cuûa moät maùy bieán aùp. Trong ñoù haáp thuï töø 90 –95% naêng löôïng ñieän ñöa vaøo trong loø (H.4.2) Ñeå giaûm giaù trò töø thoâng taûn, caùc cuoän daây W1 vaø W2 cuûa maùy bieán aùp ñöôïc ñaët chung treân cuøng moät loõi cuûa maïch töø. Töø thoâng chính 1 ñi xuyeân qua raõnh kim loaïi seõ laøm caûm öùng trong ñoù söùc ñieän ñoäng E2 sinh ra doøng ñieän I2. Doøng ñieän I2 chaûy qua kim loaïi beân trong raõnh vaø sinh nhieät theo luaät Joule. Töø thoâng taûn S chieám khoaûng töø 25 – 30% giaù trò cuûa töø thoâng chính 1. Vì vaäy: K . E2 < E1 (4.12) Vôùi K laø heä soá bieán aùp. Trong caùc loø naáu kim loaïi daïng raõnh, khi raõnh kim loaïi chính laø W2 = 1 cho neân K = W1 / W2 = W1 (4.13) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 38
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Sô ñoà thay theá vaø ñoà thò vectô cuûa loø caûm öùng daïng raõnh ñöôïc trình baøy trong (H.4.3a,b). Chuùng töông töï nhö sô ñoà thay theá vaø ñoà thò vectô cuûa maùy bieán aùp ñang hoaït ñoäng ôû cheá ñoä ngaén maïch. Töø sô ñoà thay theá coù theå vieát: 2 2 E'2 I'2 R'2 X '2 I'2 Z'2 (4.14) ÔÛ ñaây E’2 laø söùc ñieän ñoäng caûm öùng trong raõnh (V), I’2 – doøng ñieän chaûy trong raõnh (A), R’2 vaø X’2 laø ñieän trôû vaø ñieän khaùng thöù caáp quy ñoåi theo soá voøng daây sô caáp, W1, Z’2 – toång trôû quy ñoåi ( ). Khi ñieän aùp U1 coù daïng bieán thieân theo luaät hình sin, heä soá coâng suaát cos cuûa loø daïng raõnh laø khoaûng töø 0,5 ñeán 0,7. Doøng ñieän I2 chaûy trong raõnh kim loaïi thöôøng coù giaù trò lôùn, neân khi taùc ñoäng töông hoã vôùi töø truôøng seõ sinh ra löïc ñieän ñoäng. Löïc theo chieàu höôùngkính so vôùi doøng chaûy kim loaïi gaây ra aùp löïc lôùn leân thaønh cuûa raõnh. Löïc doïc theo chieàu daøi cuûa raõnh gaây ra söï chuyeån ñoäng cuûa kim loaïi noùng chaûy. Ñieàu naøy taïo ra khaû naêng loaïi tröø söï ñoát noùng cuïc boä kim loaïi beân trong raõnh vaø laøm taêng coâng suaát caûm öùng. Caùc loø naáu kim loaïi caûm öùng thöôøng coù hieäu suaát khaù cao töø 60 – 90%. Veà phöông dieän keát caáu coù theå chia ra laøm 2 loaïi loø naáu kim loaïi caûm öùng daïng raõnh: loø moät raõnh vaø loø hai raõnh (H.4.4) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 39
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Döôùi ñaây laø moät vaøi thoâng soá cuûa loø naáu ñoàng vaø hôïp kim ñoàng, keõm, nhoâm, gang. Baûng 4.1 Kim loaïi Dung tích Coâng suaát Naêng suaát Ñieän naêng tieâu thuï naáu (taán) (KVA) taán/h kw/taán. Ñoàng 16 30 10 270 – 330 Thau 16 30 13 – 15 190 – 210 Keõm 100 - 30 95 – 110 Nhoâm 0,17 – 40 - 0,75 – 10 360 – 500 Gang 250 4400 10 30 – 100 2. Loø naáu chaûy caûm öùng daïng noài: ÔÛ ñaây kim loaïi ñöôïc ñoát noùng tôùi nhieät ñoä noùng chaûy töø tröôøng xoay chieàu do cuoän daây 1 sinh ra. Khi ñi qua kim loaïi, töø tröôøng xoay chieàu seõ laøm caûm öùng beân trong ñoù caùc doøng ñieän Foucaults (H.4.5). Trong caùc loø caûm öùng daïng noài coù theå nhaän ñöôïc caùc kim loaïi vaø hôïp kim coù ñoä tinh khieát cao theo tính chaát hoaù hoïc cuûa chuùng. Coù theå nhaän ñöôïc caùc kim loaïi chaát löôïng cao vì coù theå naáu chuùng trong caùc moâi tröôøng trung tính vaø chaân khoâng. Caùc loø caûm öùng daïng noài ñöôïc cheá taïo coù dung tích khaùc nhau. Ví duï: ñeå naáu theùp coù theå duøng caùc noài 0,06 – 6 taán, coâng suaát dao ñoäng töø 90 ñeán 2230KW. Taàn soá 2400 – 500 Hz. Naêng suaát 0,132 – 3,5 T. 4.3. LOØ NUNG CAÛM ÖÙNG: Loø nung caûm öùng ñöôïc söû duïng roäng raõi trong caùc quaù trình coâng ngheä khaùc nhau nhö trong cheátaïo maùy, gia coâng cô khí goø, reøn, haøn vaø trong caùc ngaønh coâng nghieäp khaùc. Coù 2 daïng chuû yeáu: nung xuyeân suoát vaø nung beà maët. Loø nug xuyeân suoát duøng ñeå nung caùc baùn thaønh phaåm trong caùc coâng ñoaïn laøm bieán daïng nhö reøn, daäp, Sao vôùi caùc daïng nung khaùc nhö nung löûa, nung baèng ñieän trôû nung baèng caûm öùng ít gaây hö hao saûn phaåm. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 40
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Tuyø theo vaät lieäu vaø kích thöôùc chi tieát, thieát bò caûm öùng coù theå coù taàn soá töø 50 ñeán 10.000 HZ. Ñoái vôùi caùc thieát bò nung xuyeân suoát neân löïa choïn taàn soá sao cho nhieät naêng sinh ra töø moät lôùp chieám phaàn lôùn tieát dieän cuûa chi tieát. Söï ñoát noùng ñöôïc thöïc hieän ôû ñoä saâu töông öùng vôùi ñieàu kieän: r0 2 / 3 5 (4.16) ÔÛ ñaây: r0 – baùn kính chi tieát - ñoä saâu cuûa doøng ñieän caûm öùng beân trong chi tieát nung. Taàn soá caàn thieát ñoái vôùi vieäc nung xuyeân suoát chi tieát baèng theùp coù daïng hình truï ñöôïc ñònh höôùng: f = 3.104 / do2 (4.17) vôùi d0 – ñöôøng kính chi tieát (cm) Theo cheá ñoä laøm vieäc coù theå phaân chia thaønh loø nung xuyeân suoát hoaït ñoäng theo chu kyø vaø lieân tuïc. Ñoái vôùi vaät lieäu töø tính coâng suaát tieâu thuï thay ñoåi nhö sau: ôû thôøi gian nung luùc ban ñaàu caàn taêng coâng suaát, sau khi nhieät ñoä ñaït tôùi ñieåm Curie thì giaûm coâng suaát xuoáng coøn 60 – 70% so vôùi coâng suaát ban ñaàu. Ñoái vôùi kim loaïi maøu thì coâng suaát veà sau phaûi taêng leân vì ñieän trôû suaát cuûa vaät lieäu taêng leân khi nhieät ñoä taêng. Trong caùc thieát bò nung lieân tuïc coù theå nung cuøng moät luùc nhieàu chi tieát baèng töø tröôøng doïc hoaëc ngang (H.4.6). Trong tröôøng hôïp naøy caùc chi tieát nung ñöôïc ñaët doïc theo chieàu daøi cuûa cuoän daây kích töø. Caùc thieát bò nung lieân tuïc coù hieäu suaát cao, coâng suaát ñöôïc söû duïng troïn veïn, naêng suaát cao, keát caáu cuoän daây phuï thuoäc vaøo hình daùng vaø kích thöôùc cuûa chi tieát nung. Cuoän daây kích töø coù theå coù daïng tieát dieän troøn, oâvan, hình chöõ nhaät hoaëc hình vuoâng. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 41
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Nung beà maët chi tieát baèng caûm öùng Foucaults phaân boá khoâng ñoàng ñeàu beân trong chi tieát nung. Maät ñoä doøng ñieän phaàn lôùn seõ taäp trung ôû beà maët ngoaøi cuûa chi tieát. Söï taêng daàn cuûa maät ñoä doøng ñieän töø trung taâm chi tieát ra beân ngoaøi ñöôïc bieåu dieãn theo luaät haøm soá muõ. –z/ Jx = J0e (4.18) Vôùi JX – trung bình bình phöông cuûa maät ñoä doøng ñieän treân khoaûng caùch x tính töø beà maët chi tieát. Jo – trung bình bình phöông cuûa maät ñoä doøng ñieän treân beà maët chi tieát. – ñoä thaám saâu tính töø beà maët chi tieát theo höôùng kínnh maø ôû ñoù maät ñoä doøng ñieän giaûm ñi e laàn so vôùi ôû beà maët. Töø söï lyù giaûi ôû treân thaáy raèng ôû taàn soá cao coù theå nhaän ñöôïc söï taäp trung cao maät ñoä doøng ñieän treân beà maët chi tieát. Caùc thieát bò nung beà maët ñöôïc öùng duïng trong caùc coâng ngheä xöû lyù nhieät hoaù chi tieát nhö: toâi, nitô hoaù, hoaù cöùng beà maët saûn phaåm. Quaù trình toâi beà maët chi tieát ñöôïc thöïc hieän tröôùc heát laø nung noùng beà maët chi tieát, sau ñoù laøm nguoäi ñi moät caùch nhanh choùng trong moâi tröôøng khoâng khí, trong nöôùc hoaëc trong daàu. Nhôø ñoù beà maët chi tieát coù ñoä cöùng raát cao, beàn chaéc vaø chòu ñöôïc söï maøi moøn. Nung noùng beà maët chi tieát baèng phöông phaùp caûm öùng cho pheùp giaûm ñaùng keå chi tieát veà naêng löôïng. Hình 4.7 trình baøy söï boá trí cuoän daây kích töø phuï thuoäc vaøo hình daïng beà maët chi tieát nung. Coâng suaát tích cöïc maø thieát bò caûm öùng nhaän ñöôïc töø nguoàn ñöôïc xaùc ñònh bôûi tyû soá giöõa coâng suaát höõu ích duøng ñeå ñoát noùng chi tieát vaø hieäu suaát chung cuûa heä thoáng. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 42
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Pa = P’h / = Ph / ( cd . t . ñ . n) (4.19) Trong (4.19), cd . t . ñ . n töông öùng laø hieäu suaát cuûa cuoän daây kích töø, cuûa tuï ñieän, cuûa ñöôøng daây vaø cuûa nguoàn cung caáp. Coâng suaát höõu ích ñöôïc bieåu dieãn baèng bieåu thöùc: Ph = CT (TCT – To) g . n / t (4.20) Vôùi CT – laø tyû nhieät cuûa vaät nung trong khoaûng nhieät ñoä töø To ñeán TCT (J/kg.oK). o TCT , To – nhieät ñoä cuûa chi tieát tröôùc vaø sau khi nung ( K). g – khoái löôïng cuûa chi tieát (kg), n – soá löôïng chi tieát, t – thôøi gian nung. Taàn soá toái öu ftö ñeå nung chi tieát ôû ñoä thaám saâu cuûa doøng ñieän Foucaults töø beà maët chi tieát cho tröôùc tö . 2 ftö = / ( tö) (4.21) ôû ñaây: - ñieän trôû suaát cuûa chi tieát nung m. - töø thaåm cuûa vaät lieäu chi tieát nung (H/m) Ñoái vôùi vaät nung baèng theùp khi = 1 thì: 2 ftö = 4 . tö) (4.22) Chi tieát nung coù ñieän trôû suaát caøng cao thì hieäu suaát ñaït ñöôïc caøng lôùn, ví duï khi nung theùp, hieäu suaát coù theå ñaït tôùi = 0,7 – 0,9, coøn khi nung kim loaïi maøu < 0,5. 4.4. CÔ SÔÛ VAÄT LYÙ CUÛA ÑOÁT NOÙNG ÑIEÄN MOÂI: Cô sôû vaät lyù cuûa ñoát noùng ñieän moâi laø do caùc doøng ñieän (doøng ñieän chuyeån dòch vaø doøng ñieän daãn) chaûy qua chaát caùch ñieän hoaëc baùn daãn khi ñaët chuùng vaøo trong moät ñieän tröôøng xoay chieàu taàn soá cao. Öu ñieåm cuûa phöông phaùp naøy so vôùi caùc phöông phaùp ñoát noùng ñieän moâi laø hieäu quaû nhaát, bôûi vì toaøn boä naêng löôïng haáp thuï ôû trong loøng vaät theå ñeàu ñöôïc chuyeån hoaù thaønh nhieät. Tuyø theo ñaëc ñieåm coâng ngheä, thieát bò ñoát noùng ñieän moâi taàn soá cao coù theå ñöôïc chia ra laøm 3 loaïi: Caùc thieát bò loaïi 1: ñöôïc söû duïng trong coâng ngheä xöû lyù nhieät caùc saûn phaåm coù kích thöôùc lôùn vaø khi caàn ñoát noùng nhanh choùng : saáy sôïi boâng, len, saáy goã vaø caùc saûn phaåm laøm töø goã, nung caùc saûn phaåm caùch ñieän, söù, goám, haøn caùc chi tieát baèng nhöïa vaø polyme. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 43
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Caùc thieát bò loaïi 2: ñöôïc söû duïng ñeå saáy khoâ caùc saûn phaåm daïng taám, baêng nhö vaûi sôïi, tranh aûnh, giaáy, phim nhöïa, caùc cheá phaåm hoùa döôïc, caùc saûn phaåm cao su. Caùc thieát bò loaïi 3: ôû ñaây quaù trình ñoát noùng khoâng nhaát thieát phaûi nhanh vaø ñeàu, ví duï laøm tan caùc saûn phaåm ñoùng baêng, nung caùc saûn phaåm töø goám thoâ, saáy traø, ñaäu Vieäc öùng duïng caùc phöông phaùp saáy cao caáp cho pheùp naâng cao chaát löôïng saûn phaåm, ñaåy nhanh quaù trình coâng ngheä vaø ñaït hieäu quaû kinh teá cao. Khi caùc chaát ñieän moâi ñöôïc ñaët trong ñieän tröôøng beân trong chuùng xaûy ra söï töông taùc giöõa caùc phaàn töû coù ñieän tích aâm, keát quaû hình thaønh caùc moái lieân keát traùi daáu (ñöôïc goïi laø caùc phaàn töû löôõng cöïc). Trong moät phaàn töû löôõng cöïc soá löôïng ñieän tích döông luoân baèng soá löôïng ñieän tích aâm. Tích soá giöõa ñieän tích phaàn töû vaø khoaûng caùch chuyeån ñoäng ñöôïc goïi laø moment löôõng cöïc, m = g / l. Moái lieân heä giöõa moment löôõng cöïc vaø cöôøng ñoä ñieän tröôøng E ñöôïc bieåu dieãn qua coâng thöùc: m = . E (4.23) vôùi laø ñoä bieán daïng ñaøn hoài cuûa phaàn töû, coøn ñöôïc goïi laø ñoä phaân cöïc. Coù theå phaân bieät caùc hình thöùc phaân cöïc nhö sau: Söï phaân cöïc ñieän töû: Nguyeân töû vaät chaát ñöôïc bieåu dieãn baèng söï chuyeån ñoäng cuûa caùc electrons xung quanh haït nhaân nguyeân töû. Döôùi taùc ñoäng cuûa ñieän tröôøng E, nguyeân töû coù theå trôû thaønh caùc löôõng cöïc caûm öùng vôùi thôøi gian dao ñoäng rieâng vaøo khoaûng 10-14 ñeán 10-15 sec. Trong thôøi gian naøy xaùc laäp söï phaân cöïc ñieän töû. Cô cheá phaân cöïc ñieän töû ñöôïc bieåu dieãn trong (H.4.8). Söï phaân cöïc hoaù ion. Ñöôïc bieåu dieãn baèng söï chuyeån ñoäng ñaøn hoài cuûa caùc ion trong maïng tinh theå cuûa chaát caùch ñieän raén. Chu kyø dao ñoäng cuûa maïng laø vaøo khoaûng 10-12 ñeán 10-13 sec. Thôøi gian phaân cöïc hoaù cuõng vaøo khoaûng ñoù. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 44
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Söï phaân cöïc hoaù ion ñònh höôùng. Trong caùc chaát ñieän moâi, baûn thaân caùc phaân töû ñaõ laø löôõng cöïc, khoâng phuï thuoäc vaøo söï coù maët hay khoâng cuûa ñieän tröôøng beân ngoaøi. Söï phaân cöïc trong tröôøng hôïp naøy ñöôïc theå hieän ôû söï saép xeáp caùc löôõng cöïc döôùi taùc ñoäng cuûa ñieän tröôøng vaø ñöôïc goïi laø söï phaân cöïc ñònh höôùng. Söï phaân cöïc ñònh höôùng coù tính ñaøn hoài vaø sinh ra trong caùc chaát ñieän moâi daïng raén vaø daïng loûng. Söï phaân cöïc ñònh höôùng khoâng chæ toàn taïi trong ñieàu kieän ñieän tröôøng moät chieàu (H.4.9) maø toàn taïi caû ôû trong ñieàu kieän ñieän tröôøng xoay chieàu. Trong tröôøng hôïp thöù hai, phöông cuûa söï phaân cöïc thay ñoåi theo taàn soá bieán thieân cuûa ñieän tröôøng. Caùc löôõng cöïc coù tính ñaøn hoài seõ bò rung vaø xoay ñaûo theo chieàu bieán thieân thuaän nghòch cuûa ñieän tröôøng. Ngoaøi ra döôùi taùc ñoäng cuûa ñieän tröôøng trong chaát ñieän moâi coøn xuaát hieän caùc doøng ñieän tích (coù nghóa laø doøng ñieän). Söï phaân cöïc hoaù bieán thieân coøn gaây ra toån hao naêng löôïng do söï coï xaùt giöõa caùc phaàn töø vôùi nhau (toån hao ma saùt) vaø khi caùc phaàn töû löôõng cöïc bò xoay ñaûo seõ gaây ra theâm toån hao goïi laø toån hao löôõng cöïc. Caùc toån hao keå treân chuyeån hoaù thaønh nhieät ñoát noùng chaát ñieän moâi. Toác ñoä ñoát noùng phuï thuoäc vaøo taàn soá cuûa ñieän tröôøng. Söï chuyeån dòch doøng ñieän trong chaát ñieän moâi bao goàm hai thaønh phaàn : doøng ñieän chuyeån dòch: Icd = j c U (4.24) vaø doøng ñieän daãn: Id = g . U (4.25) Trong caùc coâng thöùc (4.24) vaø (4.25) : laø taàn soá goác C, g töông öùng – ñieän dung vaø ñieän daãn cuûa chaát ñieän moâi U laø ñieän aùp ñaët leân chaát ñieän moâi Doøng ñieän toaøn phaàn chaûy qua chaát ñieän moâi coù daïng: BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 45
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN I = Iñ + Icd = (g + j C) U (4.26) Tyû soá treân doøng ñieän daãn treân doøng ñieän chuyeån dòch: tg = Iñ / Icd (4.27) ñöôïc goïi laø heä soá toån thaát ñieän moâi. Ñaëc tröng cho chaát ñieän moâi coøn coù ñaïi löôïng goïi laø heä soá ñieän moâi : = ’– j ”. Trong ñoù phaàn thöïc ñaëc tröng cho tyû soá giöõa caùc giaù trò ñieän dung tröôùc vaø sau khi ñaët chaát ñieän moâi vaøo trong ñieän tröôøng. Coøn phaàn aûo: ” = ’tg , ñaëc tröng cho söï haáp thuï naêng löôïng ñieän tröôøng cuûa ñieän moâi. Caùc chæ soá vaø tg phuï thuoäc vaøo traïng thaùi vaät lyù cuûa vaät chaát (ñoä aåm, nhieät ñoä) vaø caû vaøo taàn soá cuûa ñieän tröôøng. (H.4.10) moâ taû ñoà thò quan heä giöõa , tg vaø f. Ñaïi löôïng tg ñaït giaù trò cöïc ñaïi taïi taàn soá f0 ñöôïc goïi laø taàn soá tích thoaùt. Taàn soá tích thoaùt laø ñaïi löôïng ñaëc tröng ñoái vôùi töøng loaïi vaät lieäu. Coâng suaát toån hao trong ñieän moâi: P = U . I . cos U . I . tg = C U2 tg (4.28) Trong (4.28): = 2 f – laø taàn soá goùc (rad/ s) C – ñieän dung giöõa 2 ñieän cöïc taïo ra ñieän tröôøng (F) C = 0 . S / d : S – laø ñieän tích cuûa baûn cöïc (m) d – khoaûng caùch giöõa hai baûn cöïc (m) -12 0 = 8,85 . 10 (F/m) – laø haèng soá ñieän moâi chaân khoâng. Ñieän tröôøng E giöõa hai baûn cöïc coù giaù trò: E = U / d (v/m) (4.29) Coâng suaát tieâu hao treân moät ñôn vò theå tích ñieän moâi: -11 2 P0 = 5,56 . 10 . f . E . . tg (4.30) Coâng suaát P0 ngoaøi vieäc ñoát noùng chaát ñieän moâi coøn phaûi laøm boác hôi nöôùc vaø caùc chaát baùm baån khaùc treân beà maët chi tieát, chi phí coâng suaát cho vieäc ñoát noùng. P = C . . ( T / t) / t (4.31) Ôû ñaây: 0 C – laø tyû nhieät cuûa vaät lieäu (J/g . K) – laø khoái löôïng rieâng cuûa vaät lieäu (g/cm3) ( T / t) – toác ñoä ñoát noùng ( 0K/sec) t – hieäu suaát ñoát noùng. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 46
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Chi phí laøm bay hôi nöôùc vaø caùc chaát baùm baån khaùc trong vaät lieäu: Pbh = (L / t) . ( M / t) (4.32) Trong (4.32): L – tieâu chuaån taïo hôi nöôùc ôû nhieät ñoä xaùc ñònh (J/g) M / t – toác ñoä boác hôi (g/cm3. s) Töø caùc bieåu thöùc töø (4.30) ñeán (4.32) cho pheùp ruùt ra keát luaän nhö sau: coâng suaát tieâu thuï trong chaát ñieän moâi khi ñaët noù vaøo trong moät ñieän tröôøng xoay chieàu ñöôïc xaùc ñònh bôûi caùc ñaëc tröng ñieän moâi cuûa noù nhö vaø tg vaø caùc thoâng soá cuûa ñieän tröôøng nhö E vaø f. Coâng suaát tieâu thuï khoâng phuï thuoäc vaøo söï daãn nhieät cuûa vaät lieäu (ñoä daãn nhieät cuûa caùc chaát ñieän moâi thöôøng laø thaáp). Ñaëc ñieåm naøy hình thaønh tính öu vieät cuûa phöông phaùp ñoát noùng so vôùi moät vaøi phöông phaùp thoâng thöôøng khaùc. 4.5. THIEÁT BÒ ÑOÁT NOÙNG ÑIEÄN MOÂI: Thieát bò ñoát noùng ñieän moâi ñöôïc hia ra laøm hai loaïi: thieát bò hoaït ñoäng ôû taàn soá cao (f = 66KHz ñeán 1000 MHz) vaø thieát bò hoaït ñoäng ôû taàn soá sieâu cao (f=1000 MHz vaø cao hôn). Vieäc löïa choïn thoâng soá cuûa thieát bò ñöôïc xaùc ñònh bôûi haøng loaït tính chaát vaät lyù cuûa vaät lieäu. Moät trong caùc ñieàu kieän ñeå ñaûm baûo söï ñoát noùng ñeàu khaép trong toaøn boä theå tích cuûa vaät lieäu laø laøm taêng leân ñoä thaám saâu cuûa soùng ñieän töø trong beà daøy cuûa noù. Ñoä thaám saâu (cm) ñöôïc xaùc ñònh baèng khaoûng caùch ôû ñoù cöôøng ñieän tröôøng yeáu ñi e laàn so vôùi giaù trò ôû treân beà maët cuûa vaät lieäu. 9,55.10 11 f .tg (4.33) Phaàn lôùn caùc vaät lieäu ñöôïc ñoát noùng trong ñieän tröôøng cuûa tuï ñieàu ñeàu coù caáu truùc khoâng ñoàng nhaát. Ñoái vôùi caùc vaät lieäu coù caáu truùc lôùp maø ôû moãi lôùp coù heä soá ñieän moâi khaùc nhau coù theå tính giaù trò trung bình cuûa heä soá ñieän moâi nhö sau: Khi ñieän tröôøng taùc ñoäng doïc theo lôùp: tb = ( 1 . d1 + 2 . d2) / (d1 . d2) (4.34) (d1 . d2)- laø beà daøy cuûa moãi lôùp Khi ñieän tröôøng taùc ñoäng ngang: tb = ( 1 . 2 ) (d1 . d2) / ( 1 . d1 ) ( 2 . d2 ) (4.35) Khi soá lôùp taêng leân, töông öùng ôû töû soá vaø maãu soá cuûa caùc bieåu thöùc (4.34) vaø (4.35) coäng theâm soá haïng töông öùng. Cöôøng ñoä ñieän tröôøng E beân trong tuï ñieän phuï thuoäc vaøo söï ñoàng nhaát cuûa vaät theå caàn ñoát noùng. (H.4.11) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 47
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Tröôøng hôïp ñôn giaûn nhaát laø khi ñaët moät vaät theå ñoàng nhaát vaøo beân trong cuûa moät tuï ñieän coù ñieän cöïc phaúng (H.4.11.a), treân ñoù ta ñaët moät ñieän aùp U, luùc naøy ñieän tröôøng seõ laø: E = U / d (4.36) Vaø vaät theå seõ ñöôïc ñoát noùng ñeàu khaép. Neáu tuï ñieän coù daïng hình truï (H.4.11b) thì ñieän tröôøng E taïi moät ñieåm baát kyø trong ñoù seõ laø: E = U / [Rln (R2/R1) ] (4.37) Vôùi R – khoaûng caùch töø taâm troøn tôùi ñieåm khaûo saùt. Trong tröôøng hôïp, vaät theå khoâng choaùn heát toaøn boä theå tích cuûa tuï ñieän phaúng (H.4.11c), ñieän tröôøng ñöôïc tính nhö sau: E = U / (d + d ) (4.38) E = E (4.39) Ñoái vôùi tuï ñieän daïng hình truï (H.4.11d) E = U / R [ln (R2/R1) + ln (R3/R2) (4.40) E = E (4.41) Trong caùc coâng thöùc ñöa ra ôû treân laø heä soá ñieän moâi töông ñoái cuûa moät lôùp vaät lieäu cho tröôùc hoaëc laø giaù trò trung bình cuûa heä soá ñieän moâi töông ñoái cuûa nhieàu lôùp vaät lieäu. Ñieän tröôøng cho pheùp trong caùc khe hôû khoâng khí d trong chaát ñieän moâi ñöôïc xaùc ñònh bôûi giaù trò ñieän tröôøng choïc thuûng EC1 . Thoâng thöôøng EC1 cuûa khoâng khí thaáp hôn so vôùi EC1 cuûa caùc chaát ñieän moâi. Theo kinh nghieäm thöïc teá vieäc saáy khoâ vaät theå ñieän moâi luoân keøm theo söï boác hôi nöôùc, vì vaäy ñieän tröôøng khe hôû khoâng khí khoâng neân vöôït quaù giaù trò 1,0–1,5 (KV/cm). Ñieän tröôøng cho pheùp trong vaät theå ñieän moâi coù theå laáy giaù trò hai laàn nhoû hôn giaù trò ñieän tröôøng ñaùnh thuûng cuûa vaät lieäu ñoâi moâi. Ecf = Ect / 2 (4.42) Vieäc choïn giaù trò cho pheùp cuûa ñieän tröôøng coù theå giuùp xaùc ñònh taàn soá laøm vieäc khi ñoát noùng ñieän moâi. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 48
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN .C. f 7,53.10 12 (4.43) 2 tg ttEcf Trong (4.43) : – troïng löôïng rieâng cuûa vaät lieäu ñieän moâi (g/cm3) C – tyû nhieät cuûa noù (j/g0K) - ñoä cheânh leäch nhieät ñoä. t – thôøi gian ñoát noùng, t – hieäu suaát quaù trình ñoát noùng. tg – heä soá toån thaát ñieän moâi , – heä soá ñieän moâi cuûa vaät lieäu. Trong caùc thieát bò ñoát noùng ñieän moâi thöôøng coù : maùt phaùt taàn soá cao, heä thoáng baûo veä vaø taïo tín hieäu, heä thoáng ñoát noùng. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa heä thoáng ñoát noùng ñieän moâi duøng ñeøn 3 cöïc ñöôïc trình baøy trong (H.4.12) Taàn soá cuûa maùy phaùt coù theå xaùc ñònh töø ñieàu kieän coäng höôûng cuûa maïch dao ñoäng khoâng coù toån hao: 1/ C .L (4.44) d d f 1/(2 L .C (4.45) d d ñieän trôû töông ñöông cuûa maïch khi tính tôùi toån hao: R (1/ C ).( .L / R) L /(C .R) (4.46) td d d d d trong (4.46): R – ñieän trôû taûi cuûa maïch dao ñoäng. Coâng suaát thieát bò: P0.Vd Pf (4.47) d 3 ôû ñaây: P0 – coâng suaát treân 1 ñôn vò theå tích (W/cm ) 3 Vñ – theå tích tuï ñoát (m ) ñ – hieäu suaát maïch dao ñoäng. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa heä thoáng tuï ñoát duøng trong caùc thieát bò ñoát noùng vaø saáy khoâ caùc saûn phaåm coù kích thöôùc lôùn vaø daïng haït ñöôïc moâ taû trong (H.4.13). BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 49
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Caùc thieát bò ñoát noùng ñieän moâi coù theå chia ra thaønh 3 nhoùm: thieát bò duøng soùng trung ( f = 0,3 – 3.1 MHz); soùng ngaén ( f = 3 – 30 MHz); vaø soùng meâtre (f=30 – 300MHz). Caùc thieát bò soùng trung: öùng duïng trong vieäc ñoát noùng caùc vaät theå ñieän moâi coù heä soá toån hao ñieän moâi lôùn. Trong caùc saûn phaåm loaïi ñoù phaûi keà ñeán caùc saûn phaåm aåm öôùt coù kích thöôùc khoâng lôùn laém. Maùy phaùt taàn soá trong tröôøng hôïp naøy coù hieäu suaát khaù cao (0,5 – 0,6) coâng suaát leân ñeán haøng traêm KW, söï ñoát 3 noùng dieãn ra ôû P0 thaáp (0,01 – 1,0 W/cm ) vôùi thôøi gian keùo daøi (haøng chuïc giôø). Ñieän aùp ñaët leân tuï ñoát töông ñoái cao (10 – 15KV). Caùc thieát bò soùng ngaén: ñöôïc aùp duïng ñoái vôùi caùc vaät lieäu coù heä soá toån hao ñieän moâi loaïi trung bình, hieäu suaát ñaït tôùi 0,4 – 0,55. Coâng suaát maùy phaùt vaøo 3 khoaûng vaøi chuïc KW, P0 = 1 – 100w/cm ). Khi saáy khoâ caùc saûn phaåm coù boác hôi nöôùc phaûi thöïc hieän trong thôøi gian khoaûng moät vaøi giôø. Ñoái vôùi caùc saûn phaåm khoâng boác hôi nöôùc döôùi moät giôø. Caùc thieát bò soùng meâtre: coù hieäu suaát töø 0,3 – 0,4. Ñöôïc aùp duïng ñoái vôùi 3 caùc vaät lieäu coù heä soá toån hao thaáp P0 = 0,1 – 3w/cm . Thôøi gian ñoát noùng khoaûng moät vaøi giaây. Ngoaøi ra coøn coù caùc thieát bò hoaït ñoäng vôùi taàn soá sieâu cao. Ñoái vôùi caùc thieát bò daïng naøy ñieän tröôøng ñoát noùng coù giaù trò nhoû neân giaûm ñöôïc nguy cô ñaùnh thuûng saûn phaåm. Chuùng ñöôïc aùp duïng trong vieäc saáy caùc vaät lieäu coù caáu truùc lôùp, caùc cheá phaåm y döôïc. 4.6. NGUOÀN PHAÙT TAÀN SOÁ CAO: Caùc thieát bò coâng nghieäp taàn soá cao thöôøng ñöôïc trang bò nguoàn phaùt taàn soá daïng toå hôïp ñaëc bieät. Nguyeân taéc chuû yeáu laø bieán ñoåi doøng ñieän ba pha taàn soá coâng nghieäp veà daïng doøng ñieän moät pha taàn soá cao. 1. Boä bieán ñoåi taàn soá thiristor: Trong sô ñoà (H.4.14), khoái nghòch löu IV bieán ñoåi doøng ñieän chænh löu thaønh doøng ñieän xoay chieàu moät pha taàn soá cao. Nguyeân taéc hoaït ñoäng ôû ñaây döïa BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 50
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN treân söï ñoùng môû laàn löôït cuûa nghòch löu. Taàn soá doøng ñieän nghòch löu chính baèng taàn soá ñoøng ngaét cuûa caùc thyristor T1, T2, T3, T4. Khi T1, T2, môû doøng ñieän ñi theo moät chieàu, T3, T4, môû doøng ñieän ñi theo chieàu ngöôïc laïi. Boä bieán ñoåi thyristor laøm vieäc ôû taàn soá 0,5 10 KHz. ÔÛ taàn soá lôùn hôn (50 5000 KHz) phaûi söû duïng boä bieán taàn duøng ñeøn 3 cöïc. (H.5.15). VÍ DUÏ TÍNH TOAÙN Ví duï 4.1 Moät maïch dao ñoäng ñöôïc trang bò cho vieäc caáp nhieät baèng caûm öùng coù ñieän aùp treân hai ñaàu laø 12KV, taàn soá doøng ñieän laø 480 KHz vaø coâng suaát 40 KW. Haõy xaùc ñònh: 1. Toång trôû cuûa maïch dao ñoäng. 2. Giaù trò ñieän trôû töông ñöông. 3. Giaù trò cuûa tuï C. 4. Giaù trò cuûa töï caûm L. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 51
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Bieát heä soá quaù aùp: Q = L/R = 16 vaø maïch hoaït ñoäng ôû taàn soá coäng höôûng. Giaûi: 1. Toång trôû cuûa maïch dao ñoäng. 1 1 j C Z R j L 1 1 j C(R j L) Hay: Z R j L R L C(R2 L2 2 ) Töø ñoù: Z j (1 2 LC)2 R 2C 2 2 (1 2 LC)2 R2C 2 2 2. Ñieän trôû töông ñöông: U 2 R td P Töø ñoù: (12000)2 R 3600( ) td 40000 Ñoù chính laø phaàn thöïc cuûa toång trôû Z: Rtñ = R (Z) Töø ñoù: R Rtd 2 2 2 2 2 (1 LC ) R C Vaø khi coù coäng höôûng thì J (Z) = 0. Vôùi J (Z) laø phaàn aûo cuûa toång trôû. Hay: L C(R 2 L2 2 ) 0 (1) 2 2 2 Ta coù theå vieát: L C(R L ) 0 (1a) 2 2 Vaø: L(1 LC) R C (1b) RL Töø ñoù: Rtd R2C 2 (R 2 L2 2 ) Vaø: L R td RC 3. Ñieän dung cuûa maïch dao ñoäng. Ta coù quan heä: L L Q Rtd RC RC. C Vaäy: Q C Rtd . Hay: 16 9 C 3 1,474.10 (F) 3600.2 .480.10 Hay: C 1474( pF) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 52
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 4. Töï caûm cuûa maïch dao ñoäng: Khi coäng höôûng ta coù: L - C (R2 + L2 2) = 0 Q L C Q R R td Q 1 Q2 Töø ñoù: 1 .L . R Q2 td R .Q 3600.16 Vaø: L td 74,31.10 6 (H ) (1 Q2 ) 2 .480.103 (1 162 ) Hay: L 74,3( H ) Ví duï 4.2 Taàng cuoái cuøng cuûa moät maùy phaùt cao taàn trong thieát bò haøn oáng baèngcaûm öùng coù moät maùy bieán aùo maø cuoän daây thöù caáp cuûa noù cung caáp cho cuoän caûm laøm vieäc doøng ñieän coù taàn soá 250 KHz. 1. Cuoän caûm laøm vieäc coù coâng suaát tích cöïc 400 KW vaø heä soá quaù aùp: L /R = 6, haõy xaùc ñònh töï caûm cuûa noù khi U = 1800 V. 2. Coâng suaát cuûa maùy bieán aùp laø 3MVA, haõy xaùc ñònh chieàu daøi cuûa cuoän daây phuï (xem hình veõ) khi bieát: L = 0,05 H/m vaø ki coâng suaát cuûa cuoän daây laøm vieäc khoâng thay ñoåi. 3. Neáu cuoän daây phuï ñöôïc laøm töø 10m daây coù L = 0,5 H/m haõy xaùc ñònh coâng suaát phaûn khaùng vaø ñieän dung cuûa tuï ñieän khi cuoän daây ñoù ñöôïc ñaët ôû: a. Ngay ñaàu ra cuûa maùy phaùt cao taàn. b. Ngay treân 2 ñaàu cuûa cuoän khaùng laøm vieäc. Bieát raèng coâng suaát cuûa cuoän khaùng laøm vieäc laø khoâng thay ñoåi. Giaûi: BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 53
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 1. Töï caûm L1 cuûa cuoän caûm laøm vieäc: U 2 Z1 S1 Vôùi: U – ñieän aùp nguoàn – 1800V S1 – coâng suaát bieåu kieán cuûa cuoän caûm. Ta coù theå tính coâng suaát S1 khi cho raèng coâng suaát naøy baèng coâng suaát phaûn khaùng khi tính tôùi quaù aùp, töø ñoù: Q1 400.6 2400K var Suy ra: S1 2400KVA (1800)2 Vaäy: Z1 3 1,.5( ) 2400.10 Töï caûm cuoän caûm laøm vieäc ñöôïc tính töø : Z1 1,35 7 L1 3 8,59.10 (H ) 2 .250.10 Hay: L1 0,86( H ) 2. Chieàu daøi daây cuûa cuoän daây phuï: Neáu ta ñoàng nhaát hoùa coâng suaát bieåu kieán vôùi coâng suaát phaûn khaùng cuûa cuoän daây phuï L2: Q2 3 2,4 0,6M var Q2 Töï caûm cuoän daây phuï: L2 2 I Neáu coâng suaát cuoän caûm laøm vieäc laø khoâng thay ñoåi thì: S 2400.103 I 1 1333(A) Z1 1,35 0,6.106 Vaø: L 0,215.106 (H ) 2 2 .250.103.(1333)2 Hay: L2 0,215( H ) Chieàu daøi daây daãn duøng ñeå quaán cuoän daây phuï: 0,215 l 4,3(m) 2 0,05 BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 54
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 3. Coâng suaát phaûn khaùng vaø ñieän dung cuûa tuï ñieän C. Khi tuï ñieän ôû ngay daàu ra cuûa maùy phaùt cao taàn (H.V.4.2a) Coâng suaát phaûn khaùng cuûa tuï ñieän ñöôïc cho bôûi bieåu thöùc : QC = Q – QB Vôùi: Q – coâng suaát phaûn khaùng cuûa caû hai cuoän daây. Qb - coâng suaát phaûn khaùng cuûa maùy bieán aùp – 3 Mvar Töï caûm cuûa cuoän daây phuï: L2 = 10 . 0,05 = 0,5 ( H) Töø ñoù: Z = L = 0,5 . 10-6. 2 . 250 . 103 = 0,785 ( ) Coâng suaát phaûn khaùng cuûa caû hai cuoän daây: 2 Q = (Z1 + Z)I vôùi I = 1333A Vaäy: Q = (1,35 + 0,785) . 13332 = 3.793.700 (VAR) Q = 3,79 MVAR Töø ñoù: QC = 3,79 – 3 = 0,79 (MVAR) 2 1 U c Ñieän khaùng cuûa tuï: X C C QC UC – ñieän aùp treân 2 ñaàu tuï C baèng ñieän aùp treân 2 cuoän daây: UC = (Z1 + Z) I = (1,35 +0,785) 1333 = 2846 (V) Töø ñoù: (2846)2 X 6 10,25 Vaø: 0,79.10 1 1 9 C 62,11.10 (F) X 2 .250.103.10,25 Vaäy: C 62.110( pF) Khi tuï ñieän ñaët treân 2 ñaàu cuûa cuoän caûm laøm vieäc (H.V.4.2b) Vì caùc ñieàu kieän vaän haønh cuûa cuoän caûm laøm vieäc khoâng thay ñoåi, cuôøng ñoä doøng ñieän chaûy qua noù vaø ñieän aùp ñaët leân hai ñaàu cuûa noù khoâng thay ñoåi baèng 1800V. aùp duïng luaän Kirchhoff cho maïch ñieän treân ta ñöôïc: U = 1800 + Z .IB 6 Vôùi: IB = 1333 – IC, ; UIB =3.10 IB – cöôøng ñoä doøng ñieän qua cuoän phuï. IC – cöôøng ñoä doøng ñieän qua tuï C. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 55
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Töø ñoù: U . IB = (1800 + 0,785 . IB)IB 2 6 Hay: 0,785I B 1800I B 3.10 0 1800 (1800)2 4.0,785.3.106 I B 1120(A) 2.0,785 Vaäy: IC 1333 I B 1333 1120 213(A) Ñieän khaùng XC: U 1800 X C 8,45 C I 213 C 1 1 Vaø: C 3 75340) pF) X C . 8,45.2 .250.10 Ví duï 4.3: Moät thuøng phuy hình truï baèng theùp khoâng ræ (inoxidable) coù ñöôøng kính trong d = 0,5m, cao h = 0,5m, daøy e = 20mm, ñöôïc söû duïng ñeà laøm noùng moät chaát loûng. Noù ñöôïc caáp nhieät nhôø doøng ñieän caûm öùng sinh ra töø moät cuoän caûm laø moät oáng ñoàng coù tieát dieän söû duïng 2mm2, ñaët loàng beân ngoaøi thuøng phuy, vôùi ñöôøng kính trung bình d1 = 0,65m (H.V.4.3). Thaønh cuûa thuøng phuy trôû thaønh cuoän daây thöù caáp ngaén maïch cuûa moät maùy bieán aùp vôùi soá voøng daây N2 = 1. Cuoän caûm chính laø cun daây sô caáp coù N1 = 100 voøng vaø ñöôïc cung caáp moät ñieän aùp xoay chieàu U1= 380V, f = 50Hz. Haõy xaùc ñònh: 1. Ñoä thaám saâu cuûa töø tröôøng , coù theå cho raèng cöôøng ñoä doøng ñieän beân trong beà daøy cuûa thuøng laø ñoàng ñeàu. 2. Ñieän trôû R2 cuûa thaønh thuøng phuy (H.V.4.3a) 3. Ñieän trôû R1 cuûa cuoän caûm. 4. Hoã caûm M giöõa cuoän caûm vaø thuøng phuy. 5. Phöông trình: U1 = f (I1, I2) ; U2 = f (I1, I2) 6. Bieåu dieãn toång trôû toaøn phaàn cuûa thieát bò ñaèng tröôùc cuoän caûm: Z1=U1/I1. Khi caùc ñaïi löôïng Z1 , I1 , U1 laø soá phöùc (H.V.4.3b). 7. Haõy tính doøng ñieän I1 , cos 1 vaø P1 tieâu thuï bôûi thieát bò. 8. Haõy tính doøng ñieän caûm öùng I2 vaø coâng suaát P2. 9. Haõy tính giaù trò ñieän dung cuûa doøng ñieän maéc song song vôùi cuoän caûm (H.V.4.3c) khi cos = 1. Caùc soá lieäu: - Ñieän trôû suaát cuûa kim loaïi laøm thuøng phuy: -6 -3 2 = 0,85.10 m, töï caûm: L2 = 368.10 H. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 56
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN -8 - Ñieän trôû suaát cuûa cuoän caûm: 1 = 1,7.10 m, -7 Töø thaåm töông ñoái: r =1. 0 = 4 .10 H/m. Heä soá hình daïng cuûa cuoän caûm: Kf = 0,65 Hoã caûm: M K L1.L2 -3 Trong ñoù: K = 0,72, L1 = 5,42.10 – töï caûm cuoän caûm, L2 = töû caûm cuûa thuøng phuy. BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 57
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Ví duï 4.4. Trong moät thieát bò ñoát noùng baèng ñieän moâi, maïch coäng höôûng vaø coâng suaát cuûa noù phuï thuoäc vaøo taàn soá laøm vieäc (xem hình). Haõy tính coâng suaát tieâu taùn trong ñieän trôû R2 vaø suy ra raèng U1 ñeán phuï taûi laø cöïc ñaïi khi heä soá lieân heä laø: M M K L .L Q .Q 1 2 1 2 Vôùi Q1, Q2 – laø caùc heä soá quaù aùp cuûa caùc maïch dao ñoäng. Giaûi: 1. Coâng suaát tieâu taùn trong ñieän trôû R2 Toång trôû cuûa 2 maïch coäng höôûng trong hình ñöôïc cho bôûi caùc quan heä: 1 Z1 R1 j( L1 ) C1 1 Z2 R2 j( L2 ) C2 Aùp duïng ñònh luaät Ohm cho 2 nhaùnh: U1 Z1I1 jM I2 (1) O jM I1 J 2Z2 (2) Giaûi heä phöông trình treân nhaän ñöôïc: U1 I1 2 2 M Z1 2 Z jM U Vaø: 1 I2 2 2 J 2Z2 M Caû 2 ñeàu phuï thuoäc vaøo taàn soá laøm vieäc khi ñoù: 1 1 L1 L2 0 C1 C2 Töø ñoù: Z1 R1; Z2 R2 ; Vaø: jM U1 I1 2 2 R2 R2 M BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 58
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Coâng suaát tieâu taùn trong R2 cho bôûi: 1 1 2M 2 P I 2 R R U 2 E2 2 2 2 2 2 1 (R R 2M 2 )2 2 2 M 2 2 Ñaët: S . R R 1 2 1 U 2 S Ta coù: P 1 . E2 2 2 R1 (1 S) dP 2 R2 1 U1 1 S Laáy ñaïo haøm: . 3 ds 2 R1 (1 S) Ta thaáy raèng PR2 cöïc ñaïi khi S = -1 Khi ñoù: 2 R1R2 M 2 M R1 R2 1 Töø ñoù: K . L1L2 L1 L2 Q1.Q2 Ví duï 4.5. Haõy xaùc ñònh caùc ñaëc tính cuûa 1 loø phaûn öùng duøng ñeå naáu chaûy 10 taán gang coù daïng hình truï. 1. Ñöôøng kính trong d vaø chieàu cao h cuûa loø (daïng noài), bieát raèng tyû soá h/d=1,25 2. Ñöôøng kính trong D cuûa cuoän daây caûm öùng. 3. Coâng suaát caàn thieát ñeå thöïc hieän vieäc naáu chaûy trong thôøi gian 3,5 giôø, khi treân beà maët cuûa kim loaïi loûng laø khoâng khí. 4. Coâng suaát caàn thieát ñeå thöïc hieän vieäc naáu chaûy trong thôøi gian 3,5 giôø neáu noài ñöôïc ñaäy baèng moät caùi naép. Soá lieäu: Noài naáu chaûy ñöôïc caáu taïo töø trong ra ngoaøi bôûi caùc vaät lieäu. Vaät lieäu Beà daøy (cm) Heä soá daãn nhieät (W/oK.m) Gaïch chòu löûa 6 2,32 Vaät lieäu caùch nhieät 5 0,464 5 0,72 Amiante 1 0,163 Fibre 0,3 0,1 - Ñaùy noài coù beà daøy laø 30cm, = 1,168 (W/oK.m) - Naép daøy 15cm vaø coù = 1,168 (W/oK.m) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 59
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN - Khoái löôïng rieâng cuûa gang = 6600 (Kg/m3) - Naêng löôïng caàn thieát ñeå laøm noùng vaø chaûy loûng laø: 350 KWh/taán. - Heä soá phaûn xaï töø beà maët chaäu kim loaïi noùng chaûy = 0,8 o 2 - Heä soá trao ñoåi nhieät töø beà maët ngoaøi cuûa naép vôùi khoâng khí KT = 30( K m ) Nhieät ñoä: 0 - Kim loaïi khi noùng chaûy: 1 = 1400 C 0 - Cuoän daây caûm öùng: 2 = 40 C 0 - Beân trong naép: 3 = 1300 C 0 - Khoâng khí xung quanh: 4 = 27 C Giaûi: 1. Ñöôøng kính trong d vaø chieàu cao h cuûa loø. Ñöôøng kính: 10tan Theå tích gang trong loø laø: V 1,515(m3 ) 6600 Vì laø hình truï neân: d 3 V .h h 1,25d 4 4V Vaäy: d 3 1,25 4V 4.1,515 d 3 1,156(m) 1,25 1,25.3,14 Chieàu cao: h = 1,25 d = 1,25 . 1,156 = 1,445 (m) 2. Ñöôøng kính trong cuûa cuoän daây: D = 1,156 +2 (0,06 + 0,05 + 0,05 + 0,01 + 0,003) = 1,502 (m) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 60
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN 3. Coâng suaát caàn thieát ñeå naáu chaûy gang ôû ñieàu kieän khoâng khí bình thöôøng. Bao goàm 2 thaønh phaàn: laøm noùng vaø laøm chaûy kim loaïi, buø cho nhieät toûa ra moâi tröôøng. Coâng suaát laøm noùng vaø laøm chaûy kim loaïi: Naêng löôïng caàn thieát ñeå ñoát noùng vaø laøm chaûy 10 taán gang laø: 350 x 10 = 3500 (KWh) Ñeå naáu chaûy trong 3,5h ñoøi hoûi moät coâng suaát laø: 3500 P 1000(KW ) nc 3,5 2. Toûa nhieät ra moâi tröôøng: - Qua thaønh beân. - Qua ñaùy noài - Qua beà maët chaäu kim loaïi noùng chaûy Qua thaønh beân: Ñeå tính toaùn söï toûa nhieät qua thaønh beân ta xem thaønh hình truï cuûa loø laø moät maët phaúng. Beà maët cuûa noù coù gía trò baèng giaù trò trung bình cuûa beà maët beân ngoaøi loø vaø beà maët beân trong loø. D d 1,502 1,156 S .h .1,445 6,033(m2 ) tb 2 2 Vôùi moät thaønh phaúng caáu taïo bôûi caùc lôùp coù caùc ñaëc tính nhieät khaùc nhau vaø noái tieáp nhau treân ñöôøng cuûa nhieät thoâng. Trong tröôøng hôïp naøy heä soá truyeàn nhieät chung K coù theå ñöôïc xaùc ñònh bôûi: n 1 ei K i 1 i Ei – beà daøy töông öùng cuûa caùc lôùp I - heä soá daãn nhieät cuûa moãi lôùp. 1 0,06 0,05 0,05 0,01 0,003 Töø ñoù: 0,2944((m2.0 K) / w) K 2,32 0464 0,72 0,163 0,1 Nhieät thoâng qua thaønh beân: 1400 40 b K.Stb ( 1 2 ) .6,033 27870(W ) 0,2944 Vaäy: b 27,9(Kw) Nhieät thoâng qua ñaùy noài: d 2 .(1,156)2 Beà maët ñaùy: S 1,05(m2 ) d 4 4 BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 61
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Nhieät thoâng töông öùng seõ laø: 1,168 ( )S (1400 40).1,05 d e 1 2 d 0,3 d 5,6(KW ) Nhieät thoâng truyeàn qua beà maët cuûa chaäu kim loaïi noùng chaûy. Beà maët cuûa chaäu kim loaïi noùng chaûy: 2 2 d .(1,156) 2 S KL 1,05(m ) 4 4 4 4 Vaäy: KL . .S nc (T1 T2 ) 0 Trong ñoù: T1 1400 273 1673( K) 0 T2 27 273 300( K) – haèng soá Steùfan = 5,67.10-8 W/(0K4.m2) – h soá phaûn xaï = 0,8 töø ñoù: 8 4 4 nc 0,8.5,67.10 .1,05.[(1673) (300) ] b 372(KW ) 3. Toång coâng suaát (nhieät thoâng toång). P Pnc Pb Pd PKL 1000 27,9 5,6 37,2 1405,5(KW ) Hay: P 1406(KW ) 4. Coâng suaát caàn thieát khi ñaäy naép: Söï trao ñoåi nhieät ñöôïc thöïc hieän qua naép coù dieän tích : 2 d 2 S n 1,05(m ) 4 Heä soá truyeàn nhieät chung Kn. 1 1 e 1 0,15 n 0,162(m 2 .0 K) /W ) K n KT n 30 1,168 Nhieät thoâng truyeàn qua naép: 1 K ( ).S (1300 27).1,05 8251(W ) n n 3 0 n 0,162 Vaäy: n 8,25(KW ) Nhö vaäy, khi ñaäy naép coâng suaát truyeàn töø beà maët kim loaïi noùng chaûy ra ngoaøi giaûm töø 372KW xuoáng coøn 8,25 KW. Vaäy coâng suaát caàn thieát trong tröôøng hôïp naøy laø: P = 1000 + 27,9 + 5,5 + 8,25 = 1041,65 (Kw) =1042 (KW) BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 62
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TpHCM KHOA ÑIEÄN Ví duï 4.6 Tuï ñieän ñoát 2 baûn cöïc song song ñöôïc laép ñaày moät phaàn baèng vaât lieäu coù beà daøy 5cm, coù heä soá ñieän moâi töông ñoái r = 5 vaø heä soá toån hao ñieän moâi tg = 1. coâng suaát cöïc ñaïi nhaän ñöôïc khi Q1 = Q2 = 20 (H.V.4.6) Haõy xaùc ñònh: 1. Beà daøy lôùp khí caàn thieát ñeå nhaän ñöôïc coâng suaát cöïc ñaïi. 2. Phaân boá ñieän tröôøng trong tuï ñoát (laøm vieäc) khi ñieän aùp: U = 4000V. Giaûi: Vaât lieäu ñöôïc ñaëc tröng baèng moät ñieän trôû Rvaø moät ñieän dung C ñaët song song. Chuùng lieân heä vôùi nhau baèng bieåu thöùc: 1 tg RC. Toång trôû cuûa maïch ñieän ñaëc tröng cho vaät lieäu laø: R ZVL 1 RC. Lôùp khí ñöôïc thay theá töông ñöông baèng moät ñieän dung C1 noái tieáp. Toång trôû chung cuûa toaøn maïch coù daïng: R j Z 1 jRC. .C 1 RC j[1 R2 2 (CC C 2 )] Hay: Z 1 1 C (1 R2 2C 2 ) 1 Heä soá quaù aùp cuûa toå hôïp khoâng khí. 1 R2 2 (CC e2 ) Vaät lieäu ñöôïc cho bôûi: Q 1 R.C1 Neáu ñaët: Qm RC BOÄ MOÂN THIEÁT BÒ ÑIEÄN 63