TỔNG QUAN QUY TRÌNH PHUN ÉP
Các khái niệm về khuôn
Khuôn là công cụ thiết yếu trong quá trình sản xuất, được sử dụng để tạo hình sản phẩm thông qua phương pháp định hình Khuôn được thiết kế và chế tạo để phục vụ cho một số lượng chu trình nhất định, có thể sử dụng cho một lần hoặc nhiều lần.
Kết cấu và kích thước khuôn được thiết kế dựa trên hình dáng, kích thước, chất lượng và số lượng sản phẩm cần tạo ra Bên cạnh đó, cần chú ý đến các thông số công nghệ như độ co rút, tính đàn hồi và độ cứng, cũng như các chỉ tiêu kinh tế của bộ khuôn để đảm bảo hiệu quả sản xuất.
Khuôn ép nhựa bao gồm hai phần chính:
- Phần cavity (phần khuôn cái, khuôn cố định): đƣợc gá trên tấm cố định của máy ép nhựa
- Phần core (phần khuôn đực, khuôn di động): đƣợc gá trên tấm di động của máy ép nhựa
Khoảng trống giữa cavity và core được lấp đầy bằng nhựa dẻo, sau đó nhựa này được làm nguội và đông đặc lại Cuối cùng, sản phẩm được lấy ra khỏi khuôn thông qua hệ thống lấy sản phẩm hoặc thao tác bằng tay, và sản phẩm thu được sẽ có hình dáng tương ứng với lòng khuôn.
Trong một bộ khuôn, phần lõm xác định hình dạng bên ngoài của sản phẩm, được gọi là lòng khuôn, trong khi phần lồi xác định hình dạng bên trong, gọi là lõi Một bộ khuôn có thể bao gồm một hoặc nhiều lòng khuôn và lõi, và phần tiếp xúc giữa lòng khuôn và lõi được gọi là mặt phân khuôn.
Hình 1.1 Khuôn âm và khuôn dương ở trạng thái đóng
Kết cấu khuôn
Ngoài core và cavity ra thì trong khuôn còn có nhiều bộ phận khác:
Hệ thống dẫn hướng và định vị bao gồm các chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, vòng định vị và chốt hồi, có vai trò quan trọng trong việc giữ đúng vị trí làm việc của hai phần khuôn khi ghép lại, từ đó tạo ra lòng khuôn chính xác.
Hệ thống dẫn nhựa vào lòng khuôn bao gồm bạc cuống phun, kênh dẫn nhựa và miệng phun, có nhiệm vụ cung cấp nhựa từ đầu phun của máy ép vào trong lòng khuôn.
Hệ thống đẩy sản phẩm bao gồm các thành phần như chốt đẩy, chốt hồi, chốt đỡ, bạc chốt đỡ, tấm đẩy, tấm giữ và khối đỡ Những bộ phận này đóng vai trò quan trọng trong việc đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi quá trình ép hoàn tất.
- Hệ thống lõi mặt bên: gồ m lõi mặt bên, má lõi, thanh dẫn hướng, cam chốt xiên, xy lanh thủy lực,… làm nhiệm vụ tháo under-cut
Hệ thống làm nguội bao gồm các đường nước, rãnh, ống dẫn nhiệt và đầu nối, với nhiệm vụ chính là duy trì nhiệt độ ổn định cho khuôn và làm nguội sản phẩm một cách nhanh chóng.
Hệ thống thoát khí bao gồm các rãnh thoát khí giúp đưa khí tồn đọng ra ngoài khuôn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nhựa điền đầy lòng khuôn Điều này góp phần quan trọng trong việc ngăn ngừa khuyết tật cho sản phẩm.
Hình 1.2 Các hệ thống chính của khuôn
Hình 1.3 Kết cấu chung của một bộ khuôn
1 Tấm kẹp trước 10 Tấm giữ
2 Tấm khuôn âm 11 Tấm đẩy
3 Bạc cuống phun 12 Tấm kẹp sau
4 Vòng định vị 13 Chốt đẩy
5 Vít lục giác 14 Lò xo
7 Tấm khuôn dương 16 Bạc dẫn hướng
8 Tấm lót 17 Chốt dẫn hướng
Công nghệ ép phun là gì?
Công nghệ ép phun là quy trình phun nhựa nóng chảy vào khuôn, sau đó làm nguội và đông cứng để tạo ra sản phẩm Khi nhựa đã đông cứng, khuôn được mở ra và sản phẩm được đẩy ra nhờ hệ thống đẩy, mà không có bất kỳ phản ứng hóa học nào xảy ra trong quá trình này.
Thời gian của một chu kỳ ép phun c ủa sản phẩm nhựa nhƣ sau:
Hình 1.4 Thời gian chu kỳ ép phun
Dựa vào sơ đồ chu kỳ ép phun nhƣ trên hình 1.7, có thể phân quá trình ép phun làm 5 giai đoạn:
Hình 1.5Diễn biến giai đoạn đóng khuôn
Trong quá trình sản xuất, hạt nhựa được đưa vào trục vít qua phễu, nơi trục vít thực hiện chức năng gia nhiệt để chuyển đổi hạt nhựa thành trạng thái lỏng Nhựa lỏng này sau đó sẽ được đưa vào lòng khuôn để tạo hình sản phẩm.
Giai đoạn đóng khuôn được thực hiện thông qua cơ cấu kẹp trên máy phun ép, điều khiển tấm khuôn cố định và tấm khuôn di động Cơ cấu này giữ cho khuôn mở ra khi áp suất trong lòng khuôn tăng trong quá trình phun và duy trì áp suất.
Sau khi nhựa được đưa vào cuống phun và hệ thống kênh dẫn, nó sẽ chảy vào lòng khuôn có nhiệt độ thấp, nhanh chóng đông lại và hình thành một lớp vỏ bên ngoài Trong khi đó, phần bên trong vẫn giữ trạng thái nhựa nóng chảy.
Hình 1.7 Dòng nhựa khi được phun vào khuôn
Lớp nhựa đông ban đầu rất mỏng, dẫn đến việc nhiệt mất đi nhanh chóng Khi lớp nhựa mỏng dày lên, nhiệt độ tiếp tục mất đi nhiều hơn Sau một thời gian, lớp nhựa đông sẽ đạt độ dày nhất định, lúc này nhiệt thu từ nhựa và nhiệt ma sát sinh ra từ dòng chảy sẽ cân bằng với nhiệt lượng đã mất Khi đạt được trạng thái này, nhựa sẽ ổn định về nhiệt.
Vì nhựa có khả năng dẫn nhiệt kém, lớp vỏ ngoài sẽ đóng vai trò là lớp cách nhiệt cho lõi nhựa nóng chảy bên trong, giúp giữ nhiệt cho lõi này Nhờ vậy, nguyên liệu nhựa vẫn có thể chảy qua lõi giữa trong quá trình ép phun Khi tốc độ phun tăng, lớp nhựa đông lại sẽ trở nên mỏng hơn do nhiệt ma sát sinh ra cao hơn Ngoài ra, độ nóng chảy và nhiệt độ khuôn cao cũng sẽ làm giảm độ dày của lớp nhựa đông lại.
1.3.3 Giai đoạn duy trì áp suất
Hình 1.8 Giai đoạn duy trì áp suất
Sau khi khuôn được điền đầy, nhựa dẻo lỏng bắt đầu đông cứng do nhiệt độ khuôn thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của nhựa Trong quá trình này, thể tích nhựa sẽ co lại, vì vậy cần phải ép thêm nhựa lỏng vào để đảm bảo kích thước chi tiết và bù đắp lượng nhựa bị co rút Do đó, việc duy trì áp suất giữ nhựa là cần thiết cho đến khi nhựa hoàn toàn đông cứng.
Để tối ưu hóa thời gian chu kỳ ép phun, việc làm nguội nhựa lỏng sau khi điền đầy khuôn là rất quan trọng, chiếm đến 50-60% tổng thời gian Do đó, cần thiết lập hệ thống làm nguội phù hợp nhằm giảm thiểu thời gian làm nguội và thời gian ép chi tiết Để đạt hiệu quả trong quá trình làm nguội, cần chú ý đến một số yếu tố quan trọng.
- Những kênh làm nguội cần đặt càng gần bề mặt khuôn càng tốt, nhƣng phỉa chú ý đến độ bền cơ học của vật liệu khuôn
- Các kênh làm nguội phải đặt gần nhau, cũng phải chú ý tới độ bền cơ học của khuôn
- Đường kính của kênh làm nguội phải lớn hơn 8mm và giữ nguyên như vậy
- Tránh thiết kế các kênh làm nguội quá dài, có thể dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ lớn
- Chú ý làm nguội những phần dày của sản phẩm
- Tính dẫn nhiệ của khuôn cũng có ảnh hưởng đến khả năng làm nguội của các kênh giải nhiệt
Chỉ chiều chuyển động Hình 1.10 Diễn biến giai đoạn đẩy
Sau khi sản phẩm được làm nguội đến nhiệt độ cho phép, chúng ta tiến hành mở khuôn và tháo sản phẩm ra Để tối ưu hóa thời gian tháo sản phẩm, việc thiết kế hệ thống đẩy phù hợp là rất cần thiết.
Các yếu tố ảnh hưởng đến ép phun
1.4.1 Nhiệt độ a) Sự không đồng nhất của nhiệt độ
- Nhiệt độ của nhựa sẽ thay đổi trong suốt quá trình di chuyển từ đầu phun máy ép cho đến lòng khuôn
Quá trình thay đổi nhiệt độ trong quá trình ép được gây ra bởi ma sát giữa nguyên liệu và thiết bị, cùng với sự truyền nhiệt từ các tấm khuôn ra môi trường bên ngoài Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.
- Nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi độ nhớt của nhựa
- Nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến khả năng nén ép vật liệu vào khuôn
- Nhiệt độ ảnh hưởng đến thời gian làm nguội sản phẩm
Vì các lý do trên mà nhiệt độ ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm
1.4.2 Tốc đ ộ phun a)Tầm quan trọng của tốc độ phun
- Quyết định khả năng điền đầy khuôn
- Đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu tại vị trí đầu tiên đến vị trí sau cùng trong lòng khuôn
Tốc độ phun ảnh hưởng đến nhiều vùng trong quá trình sản xuất, bao gồm khu vực xung quanh cổng phun, phần giao nhau của thành khuôn và khu vực điền đầy cuối cùng Những khuyết tật phát sinh từ tốc độ phun có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong chất lượng sản phẩm.
- Hiện tƣợng tạo bọt khí, cong vênh do co rút
- Hiện tƣợng sản phẩm bị biến màu
- Bề mặt không tốt tại vùng gần cổng phun c) Các vùng thường tập trung bọt khí
- Những vùng tập trung bọt khí thường là những vùng điền đầy cuối cùng c ủa lòng khuôn
- Bọt khí cũng hình thành t ại những vùng dòng chảy bị nghẽn d) Các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng tạo bọt khí
- Thiết kế hệ thống thoát khí không đúng
- Phun với tốc độ phun quá cao nên không khí thoát ra không kịp
- Vị trí cổng phun không thích hợp e) Phun với tốc độ phun quá cao
- Sự biến dạng của sản phẩm sẽ khác nhau khi phun với tốc độ quá cao qua các phần khác nhau c ủa lòng khuôn
- Phun với tốc độ cao, đòi hỏi lực ép khuôn lớn
Phun qua cổng với tốc độ cao có thể gây ra hiện tượng phun tia, dẫn đến dòng chảy rối và làm giảm chất lượng bề mặt sản phẩm gần cổng phun Ngoài ra, việc phun với tốc độ khác nhau trên cùng một sản phẩm cũng có thể ảnh hưởng đến tính đồng nhất và độ hoàn thiện của sản phẩm.
Để ngăn chặn hiện tượng tập trung bọt khí và đảm bảo chất lượng sản phẩm điền khuôn, cần thiết lập tốc độ phun khác nhau cho từng vùng Đặc biệt, khi phun các sản phẩm thành mỏng, nên sử dụng tốc độ cao để đạt hiệu quả tối ưu mà không kéo dài thời gian phun.
Đối với các sản phẩm có thành mỏng, việc phun cần được thực hiện với tốc độ nhanh nhất có thể để tránh hiện tượng không điền đầy khuôn do nhựa bị nguội Cần điều chỉnh tốc độ phun một cách linh hoạt để đạt hiệu quả tối ưu.
Không phải thay đổi tốc độ phun là có kết quả ngay, vì nó còn phụ thuộc vào quán tính c ủa trục vít
Áp suất nén (giữ) là một thông số quan trọng trong quá trình ép phun, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định về kích thước và tính cơ học của sản phẩm.
- Là áp suất tăng lên trong khuôn sau khi khuôn được điền đầy, nóảnh hưởng đến tổng lƣợng vật liệu đƣợc ép vào trong khuôn
- Lƣợng nhựa đƣợc nén vào trong khuôn sẽ bù vào sự co ngót trong quá trình làm nguội
- Khối lƣợng sản phẩm sẽ phụ thuộc vào áp suất nén b) Áp suất duy trì và thời gian duy trì
- Áp suất duy trì là áp suất trong giai đoạn duy trì áp, sau khi áp suất nén đạt đƣợc
- Thời gian duy trì áp là thời gian từ lúc áp suất nén đạt cực đại đến khi cổng phun đông đặc c) Sự thất thoát áp suất trong khuôn
- Áp suất khuôn bị thất thoát là do dòng chảy bị giới hạn, rãnh dẫn cong và do ma sát
- Do vật liệu bị nguội làm giảm khả năng chảy
- Hậu quả là sự co ngót không đều d) Tầm quan trọng của áp suất khuôn
- Việc xác định áp suất khuôn giúp kiểm soát đƣợc sự ổn định của sản phẩm
- Kiểm soát đƣợc khả năng điền đầy khuôn và độ nén chặt của vật liệu e) Đường cong áp suất khuôn
- Dùng đường cong áp suất khuôn để cài đặt thời gian chuyển sang trạng thái duy trì áp của quá trình ép phun
- Áp suất cực đại trong khuôn phụ thuộc vào áp suất cài trong giai đoạn duy trì áp.
GIA NHIỆT CHO KHUÔN ÉP NHỰA
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ khuôn là yếu tố quyết định đến chu kỳ định hình và chất lượng sản phẩm Nhiệt độ khuôn thấp có thể rút ngắn thời gian làm nguội nhưng lại tăng cản trở dòng chảy nhựa nóng, dẫn đến ứng suất cao trong thành phẩm Ngược lại, nhiệt độ khuôn cao hơn nhiệt độ chảy dẻo của nhựa có thể giảm khuyết tật và tăng độ chính xác sản phẩm, nhưng cũng làm tăng thời gian chu kỳ ép phun, từ đó tăng chi phí sản xuất Nghiên cứu cho thấy gia nhiệt bề mặt khuôn là giải pháp hiệu quả để duy trì nhiệt độ cao mà không làm tăng đáng kể thời gian chu kỳ ép phun Nhiệt độ bề mặt khuôn cao giúp dòng chảy nhựa lỏng vào khuôn dễ dàng hơn, giảm thiểu mất nhiệt và tạo lớp nhựa tiếp xúc mỏng hơn, từ đó làm nguội đồng đều hơn và giảm ứng suất, co rút sản phẩm, nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm ép phun.
Các phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn thông dụng
Gia nhiệt bề mặt khuôn bằng bức xạ hồng ngoại sử dụng đèn hồng ngoại để nung nóng lòng khuôn Hệ thống này được thiết kế lắp trên tấm khuôn, với hệ thống điều khiển để điều chỉnh các đèn hồng ngoại Tốc độ gia nhiệt bằng phương pháp này phụ thuộc vào hệ số hấp thụ bức xạ của khuôn.
Và việc chế tạo đèn hồng ngoại có kiểu dáng phù hợp với lòng khuôn là khá phức tạp
Hình 2.1 Gia nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại
Gia nhiệt bề mặt khuôn bằng dòng khí nóng là phương pháp sử dụng không khí nóng để làm ấm bề mặt khuôn Dòng khí này được đưa vào bên trong khuôn, giúp nâng cao nhiệt độ và cải thiện hiệu suất gia công Kích thước khe hở giữa các bộ phận trong khuôn cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia nhiệt, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Hai phần khuôn cố định và di động ảnh hưởng đến tốc độ gia nhiệt và đã được tính toán trước Nhiệt độ khuôn được nâng lên trên mức chuyển hóa của nhựa, sau đó khuôn sẽ đóng lại và nhựa được phun vào Phương pháp gia nhiệt này tốn kém do sử dụng bộ phận làm nóng khí và cần phải sấy khô khí Tốc độ gia nhiệt không cao, và khi gia nhiệt, toàn bộ thể tích khuôn đều nóng, điều này không tốt cho quá trình làm nguội sau và làm tăng thời gian chu kỳ ép phun, dẫn đến chi phí sản xuất cao hơn.
Hình 2.2 Cấu tạo hệ thống gia nhiệt bằng khí nóng
Các bước gia nhiệt khuôn bằng dòng khí nóng:
Bước 2: Đóng khuôn để gia nhiệt
Bước 3: Đóng khuôn để phun nhựa lỏng vào lòng khuôn
Hình 2.3 Quá trình gia nhiệt khuôn bằng khí nóng
Gia nhiệt bề mặt khuôn bằng cảm ứng điện từ là một phương pháp nung nóng không tiếp xúc, sử dụng dòng điện tần số cao để gia nhiệt vật liệu dẫn điện mà không làm hỏng bề mặt khuôn So với các phương pháp gia nhiệt khác như ngọn lửa hoặc các phần tử truyền nhiệt, gia nhiệt cảm ứng có tốc độ nhanh hơn, giúp rút ngắn thời gian chu kỳ ép phun và tiết kiệm chi phí Tốc độ gia nhiệt có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi tần số cung cấp cho cuộn dây gia nhiệt, làm cho gia nhiệt cảm ứng trở thành giải pháp tối ưu cho việc gia nhiệt bề mặt khuôn.
Hình 2.4 Hệ thống gia nhiệt cảm ứng
Khuôn Cuộn dây gia nhiệt
GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
Nguyên lý hoạt động c ủa gia nhiệt (nung) bằng cảm ứng điện từ
Phương pháp nung cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi một khối kim loại được đưa vào từ trường biến thiên, tạo ra dòng điện xoáy bên trong khối kim loại Dòng điện xoáy này sinh ra nhiệt năng, làm nóng khối kim loại Cụ thể, nguồn điện tần số cao tạo ra dòng điện xoáy lớn trong cuộn dây làm việc, tạo ra từ trường mạnh và biến đổi nhanh chóng Các tấm khuôn được đặt trong lòng cuộn dây này có mật độ từ thông cao, và tốc độ nung sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu của tấm khuôn.
Hình 3.1 Từ trường bên trong cuộn dây làm việc
Từ trường biến thiên trong cuộn dây tạo ra dòng điện xoáy trong tấm khuôn, với cuộn dây làm việc đóng vai trò là cuộn sơ cấp và tấm khuôn là cuộn thứ cấp, giúp tạo ra dòng điện lớn Việc sử dụng tần số cao trong các ứng dụng nung bằng cảm ứng kích thích hiệu ứng bề mặt, làm tăng điện trở của kim loại và tối ưu hóa dòng điện đi qua Kết quả là hiệu suất nung nóng được nâng cao nhờ dòng điện xoáy trong tấm khuôn.
Theo định luật Joule-Lent thì nhiệt lƣợng sinh ra trong tấm khuôn là:
I – Cường độ dòng điện qua kim loại (A);
R – Điện trở của kim loại (Ω); t – thời gian tác dụng (s);
Cấu tạo của thiết bị nung c ảm ứng
Theo lý thuyết, một thiết bị gia nhiệt cần thiết phải có 3 bộ phận chính:
1 Một nguồn điện có tần số cao
2 Một cuộn dây làm việc để tạo ra từ trường biến thiên
3 Một tấm khuôn nung dẫn điện
Hệ thống gia nung cảm ứng thường phức tạp, yêu cầu mạch trở kháng phù hợp giữa nguồn tần số cao và cuộn dây làm việc để tối ưu hóa chuyển đổi năng lượng Hệ thống nước làm mát cho cuộn dây cần được thiết kế tương thích với các thiết bị nung công suất lớn và nguồn điện Ngoài ra, thiết bị điều khiển điện tử được sử dụng để kiểm soát cường độ dòng điện và thời gian chu kỳ, đảm bảo kết quả nung đạt yêu cầu và bảo vệ hệ thống khỏi sự cố trong quá trình vận hành Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống nung cảm ứng vẫn không thay đổi.
Cuộn dây làm việc thường được kết hợp với tụ để tạo thành mạch cộng hưởng, mang lại nhiều lợi ích như làm cho dạng sóng của dòng điện và điện áp có hình sin, từ đó giảm hao phí cho bộ biến tần Dạng sóng hình sin tại cuộn dây giúp tín hiệu trở nên tinh khiết hơn và giảm thiểu hệ số nhiễu tần số Dưới đây là một số mạch cộng hưởng.
3.2.1 Mạch cộng hưởng nối tiếp
Cuộn dây làm việc cộng hưởng với tụ điện mắc nối tiếp tại tần số xác định, tạo ra dòng điện hình sin qua cuộn dây Mạch cộng hưởng nối tiếp giúp khuếch đại điện áp trên cuộn dây, cao hơn điện áp đầu ra của bộ biến tần mà không có mạch cộng hưởng Bộ biến tần phải chịu dòng tải hình sin, mang toàn bộ cường độ dòng chạy trong cuộn dây, do đó cuộn dây làm việc thường có nhiều vòng và chỉ chịu được vài chục Ampe Công suất gia nhiệt được nâng cao bằng cách tăng điện áp cộng hưởng.
19 mạch cộng hưởng nối tiếp qua cuộn dây làm việc trong khi giữ dòng qua cuộn dây (và bộ biến tần) ở mức hợp lý
Cách mắc này thường được áp dụng cho các thiết bị như nồi cơm điện có công suất thấp, với bộ biến tần nằm sau đối tượng gia nhiệt Một hạn chế chính của mạch cộng hưởng nối tiếp là bộ biến tần phải chịu dòng điện tương ứng với dòng đưa vào cuộn dây làm việc Hơn nữa, điện áp trong mạch cộng hưởng nối tiếp có thể tăng lên nếu không có chi tiết gia công đúng kích thước để hãm dòng Tuy nhiên, vấn đề này không xảy ra trong các ứng dụng như nồi cơm điện, nơi chi tiết gia công luôn là nồi nấu với thể tích cố định, điều này đã được xác định trong quá trình thiết kế hệ thống.
3.2.2 Mạch cộng hưởng song song
Cuộn dây làm việc cộng hưởng tại tần số đã định sẵn khi được kết nối với tụ điện song song, tạo ra dòng điện hình sin qua cuộn dây Cộng hưởng song song giúp khuếch đại dòng điện qua cuộn dây, làm tăng cường độ dòng ra so với khi bộ biến tần hoạt động độc lập Bộ biến tần chỉ cần chịu một phần dòng tải thực tế, mà không phải xử lý toàn bộ dòng xoay chiều vào cuộn dây Điều này rất quan trọng vì hệ số công suất trong ứng dụng gia nhiệt thường thấp Mạch cộng hưởng song song có thể giảm đến mười lần dòng điện đưa vào bộ biến tần và dây dẫn, giúp tiết kiệm hao phí do dòng điện trong dây dẫn và bộ biến tần Nhờ đó, cuộn dây làm việc có thể được đặt xa bộ biến tần mà không gặp phải vấn đề hao phí dây dẫn.
Cuộn dây làm việc thường chỉ có vài vòng dây dẫn đồng dày, nhưng có khả năng chịu dòng điện hàng trăm hoặc hàng ngàn ampe, điều này cần thiết để đạt được dòng xoáy lớn cho quá trình nung Hệ thống làm lạnh bằng nước là phổ biến, giúp loại bỏ nhiệt dư do dòng điện tần số cao tạo ra qua cuộn dây và các tụ trong mạch dao động.
Hình 3.2 Mạch cộng hưởng song song
Trong mạch cộng hưởng song song, cuộn dây làm việc hoạt động như một phụ tải cảm ứng kết hợp với tụ điện song song để điều chỉnh hệ số công suất Tụ điện cung cấp dòng phản kháng ngược chiều với dòng cảm ứng từ cuộn dây, tạo ra sự cân bằng năng lượng Dòng điện thực tế từ bộ biến tần cần phải nhỏ để đưa vào tụ cộng hưởng và cuộn dây làm việc, trong khi luôn có tổn thất điện do hiệu ứng bề mặt và hao phí trong tụ điện Khi chi tiết được lấy ra khỏi cuộn dây, mạch cộng hưởng tắt dần và mất nhanh chóng, nhưng dòng điện sẽ tăng lên khi chi tiết được đưa gần cuộn dây làm việc.
3.2.3 Mạch cộng hưởng kết hợp
Mạch cộng hưởng kết hợp là một phần tử điện tử quan trọng, nằm giữa nguồn tần số cao và cuộn dây nung Để gia nhiệt hiệu quả toàn bộ khối kim loại bằng phương pháp nung cảm ứng, cần có dòng điện lớn chạy trên bề mặt khối Tuy nhiên, bộ biến tần thường hoạt động hiệu quả hơn ở điện áp cao và dòng thấp, mặc dù việc bật và tắt nhanh có thể tạo ra dòng điện lớn Việc sử dụng chế độ chuyển trong MOSFET hoặc IGBTs nhanh giúp tăng điện áp và giảm dòng, từ đó làm cho bộ biến tần ít nhạy cảm hơn với cách bố trí và điện cảm rò Mạch kết hợp và cuộn dây làm việc chính có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp cao và dòng thấp từ bộ biến tần thành điện áp thấp và dòng cao, cần thiết cho việc gia nhiệt chi tiết gia công một cách hiệu quả.
Mạch cộng hưởng song song có thể được hình dung như sự kết hợp giữa cuộn dây (Lw) và tụ điện (Cw), trong đó điện trở (R) được kết nối trực tiếp với cuộn dây, hoạt động giữa hai vật dẫn.
Hình 3.3 Mạch cộng hưởng kết hợp
Điện trở của cuộn dây làm việc, điện trở của tụ mạch dao động và điện trở phản xạ của chi tiết gia công đều ảnh hưởng đến mạch cộng hưởng song song, dẫn đến việc giảm cộng hưởng Do đó, việc kết hợp tất cả các loại điện trở này thành một "điện trở hao phí" là rất hữu ích Trong mạch cộng hưởng song song, điện trở hao phí này xuất hiện trực tiếp và đại diện cho thành phần duy nhất có khả năng tiêu thụ nguồn thực sự.
Hình 3.4 Điện trở hao phí trong mạch cộng hưởng song song
Khi kiểm soát dòng cộng hưởng trong mạch cộng hưởng, dòng điện từ tụ và cuộn dây có độ lớn bằng nhau nhưng ngược pha, dẫn đến việc triệt tiêu lẫn nhau cho đến nguồn năng lượng Điều này cho thấy rằng chỉ có điện trở hao phí bên kia mạch cộng hưởng song song là chịu dòng điện từ nguồn điện tại tần số cộng hưởng.
Khi kiểm soát cạnh của tần số cộng hưởng, cần lưu ý đến thành phần "không trùng pha" của dòng điện, do sự khử nhau không hoàn toàn giữa dòng trong cuộn dây và dòng của tụ trong mạch dao động Dòng ngược này làm tăng tổng dòng điện từ nguồn, nhưng không góp phần vào việc gia nhiệt có ích cho chi tiết.
Việc nối mạch giúp giảm điện trở hao phí trong mạch cộng hưởng song song, từ đó hạ thấp giá trị này xuống mức tối ưu hơn cho vỏ bộ biến.
Có nhiều phương pháp để kiểm soát tần số, bao gồm việc sử dụng cuộn dây phân nhánh, biến áp Ferit, bộ chia điện thay cho tụ trong mạch dao động, hoặc các mạch điện thích hợp như mạch ghép thêm cuộn cảm.
Trong mạch ghép thêm cuộn cảm, khả năng biến đổi điện trở tải của mạch cộng hưởng song song có thể giảm xuống khoảng 10 ôm, mang lại lợi ích cho vỏ bộ biến tần Hình 3.5 minh họa bộ biến tần hoạt động ở vài trăm vôn, trong khi dòng điện được giữ ở mức trung bình, cho phép sử dụng mạch chuyển đổi chế độ MOSFET tiêu chuẩn Mạch ghép này bao gồm các phần tử Lm và Cm.
Hình 3.5 Mạch ghép thêm cuộn cảm
Phương pháp điều chỉnh công suất
Người ta thường mong muốn kiểm soát công suất trong quá trình nung cảm ứng, vì điều này ảnh hưởng đến tốc độ chuyển giao năng lượng nhiệt đến các tấm khuôn Việc thiết lập công suất cho loại nung cảm ứng này có thể được điều chỉnh thông qua nhiều phương pháp khác nhau.
3.3.1 Thay đổi điện áp liên kết Dc
Công suất của bộ biến tần có thể giảm bằng cách hạ điện áp cung cấp cho nó Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng nguồn điện áp DC biến đổi, thông qua một bộ chỉnh lưu điều khiển sử dụng thyristo, nhằm điều chỉnh nguồn điện áp DC từ nguồn cung cấp chính.
Trở kháng của bộ biến tần thường là hằng số, và công suất của nó tỷ lệ với bình phương điện áp cung cấp Việc điều chỉnh giá trị điện áp liên kết DC cho phép kiểm soát cường độ từ 0% đến 100%.
Công suất nguồn chính xác từng ki-lô-wát không chỉ phụ thuộc vào điện áp DC cung cấp cho bộ biến tần mà còn vào trở kháng của tải kết nối Để điều chỉnh công suất chính xác, cần đo cường độ nung bằng điện cảm ứng thực tế và so sánh với yêu cầu "cài đặt công suất" trước đó Tín hiệu phản hồi liên tục về công suất giúp điều chỉnh điện áp liên kết DC, tạo thành vòng khép kín nhằm giảm thiểu sai sót Việc này rất cần thiết để duy trì nguồn điện ổn định, vì điện trở của chi tiết gia công thay đổi khi được nung nóng.
3.3.2 Thay đổi hệ số công suất của các thiết bị trongbộ biến tần
Công suất bộ biến tần có thể được giảm bằng cách giảm thời gian hoạt động của các thiết bị chuyển mạch Năng lượng chỉ được cung cấp cho cuộn dây trong thời gian các thiết bị mở, cho phép điều chỉnh hệ số công suất từ 0% đến 100% Tuy nhiên, một hạn chế của phương pháp này là dòng chuyển mạch giữa thiết bị hoạt động và điốt ngược có thể quá lớn Hiện tượng lực mặt trái hồi phục của điốt có thể xảy ra khi hệ số công suất giảm, do đó, kiểm soát hệ số công suất thường không được áp dụng cho các bộ biến tần nung bằng cảm ứng có công suất lớn.
3.3.3 Thay đổi tần số hoạt động của bộ biến tần
Năng lượng từ bộ biến tần đến cuộn dây làm việc có thể giảm bằng cách làm lệch tần số cộng hưởng của mạch kết hợp với cuộn dây Khi tần số hoạt động của bộ biến tần được đẩy ra xa tần số cộng hưởng, sự cộng hưởng giảm, dẫn đến dòng đưa vào cuộn dây giảm Điều này làm giảm dòng xoáy trong chi tiết gia công và giảm tác dụng nhiệt Để giảm hệ số công suất, bộ biến tần thường làm lệch tần số cộng hưởng lên trên tần số tự nhiên, gây tăng trở kháng tại ngõ vào mạch tương thích khi tần số tăng Hệ quả là dòng từ bộ biến tần bắt đầu trễ pha và biên độ giảm, góp phần vào việc giảm hệ số công suất thực sự Hệ số công suất giảm cũng đảm bảo rằng các thiết bị trong bộ biến tần vẫn hoạt động với điện áp không qua chúng.
Khi bộ biến tần lệch cộng hưởng xuống thấp hơn tần số cộng hưởng của cuộn dây, sẽ không có vấn đề phục hồi điôt ngược Trong tình huống này, điện áp chuyển mạch bị mất và điôt ngược buộc phải phục hồi ngược trong khi vẫn đang mang dòng tải.
Phương pháp kiểm soát công suất này dựa trên việc làm lệch tần số cộng hưởng, rất đơn giản vì hầu hết các thiết bị nung cảm ứng đã tích hợp sẵn chức năng điều chỉnh tần số hoạt động của bộ biến tần Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chỉ cung cấp một phạm vi giới hạn để kiểm soát, đặc biệt trong các ứng dụng năng lượng cao, nơi thiết bị có thể hoạt động ở chế độ chuyển mạch tối đa Do đó, hệ thống điện cao sử dụng phương pháp này cần phải thực hiện phân tích nhiệt chi tiết để đánh giá hao phí chuyển mạch ở các mức công suất khác nhau, nhằm đảm bảo nhiệt độ thiết bị luôn nằm trong giới hạn chấp nhận được.
3.3.4 Thay đổi giá trị điện cảm đưa vào mạch tương thích
Năng lượng được cung cấp bởi bộ biến tần đến cuộn dây làm việc có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi các thành phần trong mạch tương thích Mạch này bao gồm một cuộn cảm và một tụ điện, trong đó tụ điện thường mắc song song với tụ của mạch dao động riêng của cuộn dây Thực tế, chỉ có một tụ điện duy nhất, do đó, một phần của mạch tương thích có thể được điều chỉnh để thay đổi giá trị cuộn cảm.
Mạch tương thích ứng có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh trở kháng tải của cuộn dây làm việc để phù hợp với trở kháng của mạch điều khiển bởi bộ biến tần Bằng cách thay đổi độ tự cảm của cuộn cảm, trở kháng tải có thể được dịch chuyển Cụ thể, giảm độ tự cảm dẫn đến trở kháng của cuộn dây làm việc giảm, cho phép nhiều năng lượng từ bộ biến tần được truyền đến nguồn Ngược lại, tăng độ tự cảm làm tăng trở kháng tải, dẫn đến dòng năng lượng từ bộ biến tần đến cuộn dây làm việc giảm.
Kiểm soát mức độ chỉnh công suất có thể đạt được thông qua việc điều chỉnh điện cảm tương thích một cách hợp lý Bên cạnh đó, việc thay đổi tần số cộng hưởng của toàn bộ hệ thống cũng là một phương pháp hiệu quả.
Khi kết hợp điện dung của mạch với cuộn cảm, ta phải chấp nhận một giá phải trả nhất định Mạch mắc thêm cuộn cảm thực chất đã mượn một phần điện dung từ tụ của mạch dao động để thực hiện các chức năng cần thiết.
Cuộn cảm trong mạch nối thường được loại bỏ để đạt được cộng hưởng ở tần số cao hơn Do đó, cuộn cảm thường được cố định hoặc điều chỉnh trong bước thô để phù hợp với tấm khuôn cần gia nhiệt, thay vì cung cấp cho người dùng một thiết lập hoàn toàn có thể điều chỉnh điện cảm của cuộn dây.
3.3.5 Phối hợp trở kháng biến áp
Năng lượng cung cấp cho cuộn dây có thể thay đổi qua các bước thô bằng cách sử dụng máy biến áp nhiều đầu ra để biến đổi trở kháng Mặc dù mạch LCLR giúp loại bỏ máy biến áp Ferit cồng kềnh và đắt tiền, nó vẫn cho phép điều chỉnh lớn các thông số hệ thống mà không phụ thuộc vào tần số Ngoài ra, máy biến áp Ferit có khả năng cung cấp điện độc lập và chuyển đổi trở kháng để thiết lập công suất nguồn.
Việc đặt biến áp Ferit giữa đầu ra của bộ biến tần và đầu vào mạch mắc thêm cuộn cảm giúp hạn chế thiết kế Đầu tiên, vị trí này tạo ra trở kháng cao ở cả hai cuộn dây, dẫn đến điện áp cao và dòng điện tương đối nhỏ, dễ dàng cho việc thiết kế máy biến áp Ferit Thứ hai, dòng xoáy lớn trong cuộn dây giúp giảm đáng kể bài toán làm lạnh Mặc dù biến áp chịu điện áp ra sóng vuông, nhưng dòng điện tại đây có dạng hình sin, và việc thiếu tần số điều hòa cao giúp giảm nhiệt trong biến áp nhờ hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần trong vật dẫn.
Tụ điện
Tụ điện được sử dụng trong các sơ đồ thiết bị gia nhiệt tần số để phân li dòng điện một chiều hoặc bù hệ số công suất, yêu cầu chịu điện áp cao (đến 1000V) và tần số cao (đến 10kHz) Đặc biệt, tụ điện trong nung bằng điện cảm ứng công suất cao cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt Chúng hoạt động trong mạch cộng hưởng song song của sợi nung cảm ứng, cho phép dòng điện lớn hàng trăm amps ở tần số cao Tần số hoạt động cao có thể gây mất mát do nhiệt điện môi và hiệu ứng mặt ngoài trên vật dẫn Để tối ưu hiệu suất, việc lựa chọn chất điện môi và kỹ thuật xây dựng lá kim loại là rất quan trọng nhằm giảm thiểu nhiệt sinh ra Tuy nhiên, tụ điện nung bằng điện cảm ứng vẫn có thể gặp phải tình trạng tiêu tán công suất đáng kể do dòng RF lớn Do đó, việc thiết kế hiệu quả để tháo dỡ nhiệt từ tụ điện là yếu tố quan trọng để kéo dài tuổi thọ của chất điện môi.
Vòng cảm ứng
Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25
Công suất hữu ích của thiết bị chỉ đạt 30%, do đó việc làm mát vòng cảm ứng là rất cần thiết Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện lên tới 25A/mm², trong khi làm mát bằng nước chảy trong vòng cảm ứng với tiết diện tròn, oval hoặc chữ nhật có thể đạt mật độ dòng điện từ 50 đến 70 A/mm² Dây dẫn làm vòng CƯ có thể thiết kế dạng rỗng vì dòng cao tần chỉ phân bố ở phía ngoài dây Trong giải tần số radio, thường sử dụng ống có đường kính 1-0,5mm.
Hiện nay, trong các thiết bị gia nhiệt bằng dòng điện cao tần, nguồn cao tần như máy phát điện quay, đèn phát điện tử hay biến tần sử dụng tiristor đang được sử dụng phổ biến Máy phát điện tần số cao được chế tạo với dải công suất từ 0,5 đến 1500 kW và tần số từ 500 đến 8000 Hz Đối với tần số dưới 500 Hz, người ta thường sử dụng máy phát đồng bộ cực lồi với số cặp cực lớn và số vòng quay cao, vì tần số được tính theo công thức f = [Hz].
Trong đó : p – số că ̣p cƣ̣c
N – tốc độ quay rôtor,[vg/ph]
Máy phát cảm ứng có từ trường đập mạch gặp nhiều khó khăn khi hoạt động ở tần số cao, do số cặp cực tăng làm kích thước máy lớn hơn và tốc độ quay bị hạn chế bởi độ bền cơ khí Do đó, ở tần số trên 500Hz, người ta sử dụng máy phát cảm ứng với từ trường đập mạch theo thời gian, hay còn gọi là máy phát sóng điều hoà răng.
Hình 3.9 minh họa hệ thống của máy, trong đó cuộn kích từ (CKT) được phân bố trên stator, và cuộn làm việc (CLV) cũng nằm trên stator (hình 3.9a) Rotor không có cuộn dây và có hình bánh răng (hình 3.9b) Khi rotor quay, các đỉnh răng 1 và rãnh răng 2 lần lượt đi qua các rãnh stator có đặt cuộn kích từ CKT, tạo ra từ thông có đặc tính đập mạch, lúc mạnh, lúc yếu Từ thông này cắt qua các vòng dây CLV, gây ra sức điện động cảm ứng trong CLV Một chu kỳ thay đổi sức điện động trong bối dây phần ứng (CLV) tương ứng với rotor quay qua một bước răng, do đó số cặp cực p tương ứng với số răng z2 của rotor Từ đó, tần số dòng của máy phát sẽ được xác định.
Trong đó : - Tần số góc , [rad/s]
Từ thông trong các răng rotor không thay đổi theo thời gian, dẫn đến việc không có dòng xoáy phụ trong rotor Do đó, rotor có thể được đúc liền hoặc ghép bằng các lá thép kỹ thuật Ngược lại, ở hai rãnh stator, từ thông bị đập mạch và gây ra tổn thất trong thép, vì vậy stator được ghép lại từ các lá thép kỹ thuật.
Việc làm mát máy phát có thể bằng qua ̣t khí qua các rãnh gần vùng răng hoă ̣c làm mát bằng nước khi có công suất lớn
Máy phát công suất lớn (trên 100kW) thường sử dụng động cơ đồng bộ, trong khi máy phát công suất nhỏ hơn sử dụng động cơ không đồng bộ Động cơ kéo và máy phát có thể được kết hợp thành một khối thống nhất để biến đổi tần số Các bộ biến tần có công suất trên 100kW thường có trục đặt thẳng đứng, giúp giảm diện tích lắp đặt Việc điều chỉnh tự động dòng kích từ máy phát rất quan trọng để ổn định điện áp cung cấp cho lò cảm ứng hoặc điều chỉnh điện áp theo trị số mong muốn mà không cần biến áp lò Hiện nay, bộ biến đổi kích từ bằng tiristor là hoàn thiện nhất, đảm bảo độ chính xác ổn áp 1% với giải điện áp kích từ (0-180)V Sơ đồ lực của bộ kích từ là cầu ba pha không đối xứng, tạo xung điều khiển bằng các phần tử logic Các bộ biến tần máy phát có cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao, dễ sử dụng và có khả năng làm việc song song với nhiều máy phát, đặc biệt là khi công suất lớn.
Hình 3.10 Sơ đồ khối của thiết bi ̣ gia nhiê ̣t dùng máy phát
Các bộ biến tần này có một số thiếu sót như phần tử quay khó sửa chữa, yêu cầu diện tích lắp đặt lớn, hoạt động ồn ào, hiệu suất kém khi tải nhỏ, và hệ thống bôi trơn cùng làm mát phức tạp Hơn nữa, chúng cũng không cho phép thay đổi tần số một cách linh hoạt.
Hướ ng hoàn thiê ̣n các bô ̣ biến tần máy điê ̣n là sử dụng các vâ ̣t liê ̣u tốt để nâng cao hiê ̣u suất đến 85%
Sơ đồ khối của hệ thống thiết bị gia nhiệt bằng tần số sử dụng máy phát điện quay được minh họa trong hình 3.10 Trong đó, máy phát dòng điện cao tần F(t) cung cấp dòng cảm ứng qua máy biến áp phối hợp “BA” nhằm thay đổi điện áp cho phù hợp với vòng cảm ứng Bộ tụ được sử dụng để hỗ trợ quá trình này.
C để bù hệ số công suất, máy hoạt động với hai vòng cảm ứng CƢ 1 và CƢ 2 luân phiên nhằm tối ưu hóa công suất Đèn phát tần số sử dụng trong thiết bị gia nhiệt thường là loại đèn 3 cực chân không, với tần số phát từ vài chục kHz đến vài trăm MHz Đèn được làm mát bằng không khí (công suất vài kW) hoặc bằng nước (công suất lớn hơn, lên đến trên 100kW).
Khi làm việc, nhiệt độ katot có thể tăng từ nhiệt độ môi trường lên hơn 2000°C, dẫn đến điện trở của nó tăng gấp 10 lần Do đó, khi bắt đầu làm việc, không nên cấp ngay điện áp định mức, vì dòng katot quá lớn có thể gây hỏng đèn Cần phải tăng điện áp dần dần qua nhiều nấc để đảm bảo an toàn Ngoài ra, việc ổn định điện áp là rất quan trọng, vì tăng điện áp chỉ 1% có thể làm giảm tuổi thọ đèn hơn 10%.
Khuyết điểm quan trọng của đèn phát là hiê ̣u suất thấp và tuổi tho ̣ nhỏ Sợi đốt của đèn tiêu thụ từ 8 30% công suất đèn
Các đèn có công suất dưới 200kW thường được chế tạo kín và hút chân không, trong khi các đèn có công suất lớn hơn, lên đến 500kW, thường có thiết kế hở Khi các bộ phận bên trong đèn bị hư hỏng, có thể thay thế chúng Đặc biệt, khi đèn hoạt động, chúng được hút chân không để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Mạch điện của đèn phát phức tạp Năng lượng từ lưới phải qua nhiều khâu mới tới vâ ̣t gia nhiê ̣t Do vâ ̣y hiếu suất thiết bi ̣ thấp
Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt sử dụng đèn phát được mô tả qua hình 3.11 Điện áp lưới được đưa qua máy tăng áp BA, nâng lên 6 hoặc 10 kV, sau đó được chỉnh lưu thành dòng một chiều nhờ vào chỉnh lưu cao áp CL để cung cấp cho đèn phát dòng điện cao tần cho vòng cảm ứng.
Mạch không chế KC được sử dụng để điều chỉnh điện áp chỉnh lưu và thực hiện đóng cắt Mạch phản hồi FH kết nối với lưới đèn phát nhằm ổn định tần số phát và điều chỉnh chế độ gia nhiệt khi các thông số tải thay đổi, đồng thời đảm bảo hiệu suất của đèn luôn ở mức cao.
Biến tần tiristor phổ biến bao gồm hai khâu cơ bản: chỉnh lưu có điều khiển (CL) và nghịch lưu độc lập (NL) Hình 3.11 minh họa sơ đồ khối thiết bị gia nhiệt sử dụng đèn phát.
Khi tiristor T1 được kích hoạt, tụ C sẽ nạp điện với điện áp 2U, trong đó cực bên trái mang tính dương (+) Khi tiristor T2 được thông, tụ C sẽ phóng điện qua cả hai tiristor Dòng điện qua T1 sẽ nhanh chóng giảm về 0, dẫn đến việc T1 khóa lại, trong khi dòng qua T2 sẽ tăng nhanh chóng, nạp điện cho tụ C với cực tính ngược lại Khối phát xung FX cung cấp các xung điều khiển T1 và T2 lệch pha nhau 180 độ Lúc này, cuộn sơ cấp biến áp BA2 sẽ có dòng xoay chiều với tần số tương ứng với các xung mở tiristor, và cuộn thứ cấp sẽ cảm ứng dòng cùng tần số, cung cấp cho vòng cảm ứng.
Hình 3.12 Sơ đồ bộ biến tần Tiristor
Tóm lại , vớ i sơ đồ này , dòng điện tần số công nghiê ̣p đươ ̣c chỉnh lưu và biến thành dòng cao tần
Công suất các bô ̣ nghi ̣ch lưu tiristor có thể tới 12.000kW, hiệu suất 0,9 0,95, điê ̣n áp hơn 1000V, tần số có thể tới 10kHz
Vì việc khoá tiristor cần thời gian 12 15 s nên tầ n số giới ha ̣n của các bô ̣ nghịch lưu tiristor là 10 12 kHz
