Tính toán thiết kế cuộn cảm ứng

TÀI LIỆU KỸ THUẬT

Cuộn dây làm việc là trung tâm của hệ thống gia nhiệt cảm ứng. Đây là phần chính của hệ thống chuyển năng lượng điện sang nhiệt năng. Cuộn cảm có bất kỳ hình dạng phù hợp sát với hình thể của phôi gia công nhằm tối ưu hiệu suất cảm ứng gia nhiệt và phôi thường được đặt bên trong cuộn dây để có một khớp nối trường điện từ tốt hơn

1. Trở kháng của cuộn dây

Cuộn cảm là một yếu tố quan trọng trong hiệu suất chuyển đổi của hệ thống gia nhiệt cảm ứng. Nó được xác định theo công thức Q = ωL/R. Ngoài ra, xác định trở kháng của nó thế nào khi áp đặt nó vào một nguồn điện áp cho phù hợp? Trong kinh nghiệm sửa chữa thiết bị cảm ứng cao tần, hầu hết các thiết kế máy gia nhiệt cảm ứng cao tần dùng trong công nghiệp, điện áp đặt lên hai đầu cuộn cảm ứng có giá trị vài trăm voltage (xem hình 3)

Trong phần này, một mô hình điện tương đương mà tôi trình bày nhằm đơn giản hóa hệ thống điện trở và điện cảm của cuộn dây và phôi làm việc, giúp chúng ta hiểu hành vi của tổng thể một cách đơn giản nhất, cho những ai quan tâm về tổng trở của hệ thống cảm ứng. Trong hệ thống này, với điện trở thuần, ngoài điện trở của vật liệu làm cuộn dây còn có điện trở bề mặt của vật liệu. Điện trở bề mặt vật liệu là một tham số thay đổi theo các yếu tố tố vật chất của kim loại, mỗi loại có những trở suất khác nhau; thay đổi theo khối lượng vật liệu; thay đổi theo mức độ gia nhiệt, nhiệt càng cao trở kháng càng tăng và thay đổi theo tần số của công nghệ ứng dụng, tần số này liên quan đến độ sâu của quá trình làm nóng phôi. Ngoài các dạng điện trở thuần, dĩ nhiên điện cảm của cuộn dây là một thực thể mà chúng ta đều hình dung ra trước tiên. Điện cảm tỷ lệ thuận với chiều dài của cuộn dây, số vòng dây và đường kính cuộn dây tạo thành. Dĩ nhiên, nó còn phụ thuộc vào hệ số từ thẩm của lõi, mà cuộn cảm ứng cao tần thì dĩ nhiên lõi của nó là lõi không khí. Nhưng trong hoạt động gia công, phôi có tính từ thẩm cao khi vật liệu được đưa vào có tính chất thuận từ như sắt non, gây ra lõi từ cao làm tăng giá trị điện cảm của cuộn làm việc, cản trở dòng điện di chuyển qua nó.

Để đơn giản các biến trên, một mô hình điện tương đương để đơn giản và mang tính tổng quát được trình bày như hình dưới đây.

Hình 1: Mô hình điện của phôi và cuộn cảm

Trong đó, R là giá trị điện trở thuần của cuộn cảm và phôi gia công, nó là một hằng số đối với cuộn và là một tham số theo phôi gia công. L là điện cảm của cuộn.

2. Công thức tính điện cảm

Một trong những yếu tố quan trọng của thiết kế cuộn cảm ứng đó chính là cần phải xác định một công thức tính toán. Tôi lựa chọn công thức sau đây (do tính phổ biến):

            Trong đó:

            L: Điện cảm (H)

            K: Hệ số từ thẩm, với cuộn dây lõi không khí, K=3,94^-5

              d: Đường kính cuộn dây

            N: Số vòng cuộn dây

            Ld: Chiều dài cuộn dây

Trên đây chỉ là phép tính điện cảm áp dụng cho một cuộn cảm có hình trụ. Với một dây dẫn thẳng, điện cảm phụ thuộc vào chiều dài và tiết diện của dây dẫn, công thức tính toán hoàn toàn khác. Với những hình dạng vô cùng phức tạp khác, điện cảm là tổng của tích phân của hai dạng trên áp dụng cho những vùng đồng dạng.

3. Xác định chiều dài cuộn dây

Với trường hợp hoạt động liên tục, yếu tố chiều dài cuộn dây phải được xem xét nhằm duy trì sự ổn định của hệ thống. Bên cạnh đó, nếu chiều dài của cuộn dây quá dài sẽ làm gia tăng thời gian gia công khi đưa vật liệu vào và lấy ra, hiệu suất gia nhiệt trường hợp này không cao.

Việc giảm chiều dài cuộn dây, điện trở dây dẫn sẽ giảm và dĩ nhiên, số vòng cũng giảm kéo theo giảm tổng trở của mạch như đã minh họa trên hình 1. Lúc này, cường độ dòng diện cảm ứng là rất lớn có thể quá giới hạn của bộ chuyển đổi, thiết bị sẽ báo lỗi qua dòng nếu như hệ thống bảo vệ hoạt động hiệu quả. Cho nên, lúc này việc thực nghiệm sẽ được áp dụng để có thể giảm chiều dài cuộn dây tới mức cho phép tối đa. Thực tế trên mỗi thiết bị, mỗi model máy có những thông số Z tối thiểu là khác nhau nên không thể áp dụng Z min cho mọi trường hợp.

Trong việc xác định chiều dài dây dẫn, mỗi thiết bị có mỗi công nghệ tần số là khác nhau. Tần số càng cao, ω càng lớn và chúng ta có thể càng giảm được chiều dài cuộn dây xuống mức tối thiểu cho một ứng dụng cụ thể. Để hiểu rõ hơn điều này, tôi dẫn chứng một ví dụ. Vào tháng 5 năm 2017, Công ty Kềm Nghĩa có đặt Sao Nam một thiết bị gia nhiệt để tôi kềm cắt móng tay có diện tích hơn 1cm² trong điều kiện thời gian 0,5", đầu mũi hàn phải đạt nhiệt độ trên 1.000⁰C. Chúng tôi sử dụng một thiết bị gia nhiệt cao tần có công suất 15kW, tần số 20kHz. Một cuộn dây tương thích 15cm theo kiểu Hairpin được áp dụng. Dĩ nhiên thiết kế này không đảm bảo tập trung được toàn bộ từ thông lên phôi, để đạt 1.000⁰C, nó tiêu tốn của chúng tôi 4s, tức gấp 6 lần. Việc giảm chiều dài cuộn dây sao cho khít với 2cm² là điều không thể, bởi máy sẽ báo lỗi quá dòng. Để đáp ứng yêu cầu, một thiết bị có tần số sêu cao 800 - 1MHz được sử dụng, chiều dài cuộn dây có thể giảm xuống 3cm.

4. Vật liệu chế tạo

Cuộn cảm ứng trong công nghiệp thường được làm từ các ống đồng đỏ OD/ID 8*6,5mm. (Thuật ngữ ID và OD trong kỹ thuật chỉ đường kính trong và đường kính ngoài).Sau khi được hàn xong vào kết cấu kết nối nguồn xung và hệ thống nước làm mát, người ta phủ lên các vật liệu như gốm, xi măng, amiang .v.v… để gia cố tính chắc chắn vì bản thân ống đồng đỏ rất mềm dẻo và đồng thời cách điện chống ngắn mạch giữa các cuộn liền kề và phôi gia công.

Liên quan đến hiệu quả truyền dẫn giữa phôi và cuộn cảm, đường kính của cuộn cảm cần giảm thiểu để sát phôi, khoảng cách càng sát càng là một cuộn dây cảm ứng tốt. Tuy nhiên, vẫn cần phải có một khoảng cách hở để tránh ngắn mạch trong cuộn cảm. Trong trường hợp này, sử dụng vật liệu chịu nhiệt cao vừa tránh ngắn mạch, vừa tránh tổn thất nhiệt do đối lưu hoặc bức xạ.

5. Các dạng cuộn cảm ứng

Cuộn dây làm việc cho cảm ứng được thực hiện phù hợp các hình dạng và kích cỡ. Tùy thuộc vào bản chất của công việc cuộn dây công việc được thay đổi. Theo hình dạng của bề mặt mảnh làm việc, hình dạng của cuộn dây công việc rất đa dạng. Và kích thước của cuộn dây công việc được điều chỉnh bởi độ dài của mảnh làm việc. Các cuộn dây công việc chủ yếu được chia thành xoắn ốc, đơn, đôi và nhiều hình dạng phức tạp khác. Một cuộn xoắn ốc thường được sử dụng cho một miếng hoặc khu vực được gia nhiệt nằm trong cuộn dây và do đó, trong khu vực có từ trường lớn nhất tuôn ra. Một cuộn dây xoắn dạng mâm bếp từ hoặc đơn tạo mặt phẳng được sử dụng để gia nhiệt bề mặt phẳng và do đó từ thông chỉ có trên một bề mặt cắt mảnh làm việc.

Phần lớn, các cuộn xoắn ốc được sử dụng vì nó mang lại hiệu quả cao nhất trong các dạng.

Hình 2: Các dạng cuộn cảm

Mức độ phức tạp về hình dạng của chúng nói chung rất lớn. Tên gọi, phân loại cũng phức tạp và không có chuẩn thống nhất. Tôi chọn phân loại hình học các cuộn dây như trong hình

• Multi Turn ID: Cuộn dây hình lò xo, có một đầu lòn vào phía bên trong. Dạng này hiếm gặp vì hiệu suất gia nhiệt không cao, không biết người ta chế tạo cho mục đích gì hay chỉ để mô phỏng thí nghiệm vật lý.
• Multi Turn OD: Cuộn dây hình lò xo, 2 đầu nằm bên ngoài. Đây là dạng cho hiệu suất gia nhiệt cao nhất, tính phổ biến cao trong ứng dụng.
• Multi Channel: Cuộn dây thiết kế hình chữ nhật, một vòng hoặc 2 vòng chồng nhau. Thiết kế này phù hợp với gia nhiệt các phôi nằm trên băng tải chuyển động tuyến tính.
• Pancake: Dạng như mâm bếp từ, sử dụng nhiều trong đun nấu hoặc gia công các tấm kim loại phẳng.
• Single Turn, Hainpin có hình dạng khá giống nhau, chúng là cuộn chỉ có một vòng.

Hình 3: Công tắc hiển thị tại chế độ điện áp

Hiệu suất làm việc của các kiểu cuộn cảm ứng:

Tôi làm thí nghiệm theo mô phỏng nung nóng chảy (1.500⁰C) một thanh sắt có kích thước đường kính 20*100mm trong thời gian 5” với máy cảm ứng cao tần 40KW, dải tần số 20KHz, kết quả theo bảng dưới đây, hiệu suất xếp theo thứ tự giảm dần.

BẢNG CÔNG SUẤT GIA NHIỆT CẢM ỨNG CAO TẦN

Như bảng thống kê đã nêu, cuộn cảm ứng có hình dạng lò so để hoàn thành một khối lượng công việc cụ thể nó tiêu hao năng lượng là thấp nhất. Tuy nhiên, chúng ta cũng biết rằng thí nghiệm chỉ đưa ra với một mô hình phôi hình trụ, nó không đại diện cho tất cả các mô hình phôi vô cùng phong phú, các quy trình gia công đặc thù, do đó nhắc lại rằng, mô hình cuộn cảm ứng cũng theo đó mà vô cùng phong phú.

Một chú ý quan trọng khác, khi công suất gia nhiệt cảm thấy đang bị thấp, bạn cần thay đổi rút ngắn chiều dài cuộn cảm khi có thể vẫn dải tần số cho phép của thiết bị, điều này làm công suất gia nhiệt tăng lên đáng kể. Tuy nhiên, việc giảm vòng dây sẽ khiến tần số hoạt động tăng lên gây giảm tuổi thọ của máy, và đây là việc làm cần phải được cân nhắc.