tổng quan về hệ thống gia nhiệt cho lò điện công suất lớn. thiết kế điều khiển nâng cao độ chính xác gia nhiệt

MỤC LỤC Trang Chương 1. Tổng quan về các thiết bị gia nhiệt 1 1.1. Đặc điểm của lò điện 1 1.2. Các phương pháp biến đổi điện năng 1 Chương 2. Tổng quan về lò điện 4 2.1. Lò điện trở 4 2.2. Lò hồ quang 18 2.3. Lò cảm ứng 31 Chương 3. Thiết kế điều khiển nâng cao 35 3.1. Xây dựng, tổng hợp bộ điều khiển PID và FLC 35 3.2. Mô phỏng hệ thống gia nhiệt cho lò điện 39 Kết luận 41 Tài liệu tham khảo 41 LỜI NÓI ĐẦU Như chúng ta biết, nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý rất quan trọng. Việc thay đổi nhiệt độ của một vật chất có anhe hưởng đến cấu tạo, tính chất và các đại lượng vật lý của vật chất.Ví dụ: sự thay đổi nhiệt độ của một chất khí sẽ làm thay dổ thể tích, áp suất của chất khí trong bình. Vì vậy trang nghiên cứu khoa học , trong công nghiệp và trong đời sống sinh hoạt, tu thập các thong số và điều khiển nhiệt độ là rất cần thiết. Trong các lò nhiệt, máy điều hòa, máy lạnh…điều khiển nhiệt độ là tính chất quyết điịnh cho sản phẩm ấy.Trong ngành luyện kim cần phải đạt đến một nhiệt độ nhất định để cho kim loại nóng chảy và cũng cần đạt tới một nhiệt độ nào đó để ủ kim loại nhằm đạt được tốt các đặc tính cơ học như độ bền, độ dẻo, độ chống rỉ sét… .Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một nhiệt độ nào đó để nướng bánh, để nấu, để bảo quản… .Việc thay đổi thất thường nhiệt độ không chỉ gây hư hại đến chính thiết bị đang hoạt động mà còn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, ngay cả trên chính sản phẩm ấy. Có nhiều phương pháp để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt. Mỗi phương pháp đều mang đến một kết quả khác nhau qua những phương pháp điều khiển đó. Trong nội dung đồ án này ta đi nghiên cứu phương pháp điều khiển nhiệt độ lò nhiệt theo PID và FLC (Fuzzy Logic Controller). ĐỒ ÁN TRANG BỊ ĐIỆN Đề tài: tổng quan về hệ thống gia nhiệt cho lò điện công suất lớn. Thiết kế điều khiển nâng cao độ chính xác gia nhiệt Chương 1. Trang bị điện các thiết bị gia nhiệt Lò điện là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, dùng trong công nghiệp nấu chảy vật liệu, công nghệ nung nóng và trong công nghệ nhiệt luyện. Lò điện được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiêp, trong ngành y tế v.v… 1.1. Đặc điểm của lò điện - Có khả năng tạo ra nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể tích nhỏ. - Do nhiệt năng tập trung, nhiệt tập trung nên lò có tốc độ nung nhanh và năng suất cao. - Đảm bảo nung đều, dễ điều chỉnh, khống chế nhiệt và chế độ nhiệt. - Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy tiêu hao kim loại không đáng kể. - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá ở mức cao. - Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói. 1.2. Các phương pháp biến đổi điện năng * Phương pháp điện trở: Phương pháp điện trở dựa trên định luật Joule -Lence: khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn, thì trên dây dẫn toả ra một nhiệt lượng, nhiệt lượng này được tính theo biểu thức: Q = I 2 Rt [J] Trong đó: I - cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, A. R- điện trở dây dẫn, Ω; t - thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, s Nguyên lý làm việc của lò điện trở được biểu diễn trên hình 1.1 Hình 1.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở a) đốt nóng trực tiếp b) đốt nóng gián tiếp 1. Vật liệu được nung nóng trực tiếp; 2. Cầu dao; 3. Biến áp; 4. Đầu cấp điện 5. Dây đốt (dây điện trở); 6. Vật liệu được nung nóng trực tiếp * Phương pháp cảm ứng Phương pháp cảm ứng dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday: khi cho dòng điện đi qua cuộn cảm thì điện năng được biến thành năng lượng của từ trường biến thiên. Khi đặt khối kim loại vào trong từ trường biến thiên đó, trong khối kim loại sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng - dòng điện xoáy (dòng Foucault). Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ nung nóng khối kim loại. Ngyên lý làm việc của lò cảm ứng được biểu diễn trên hình 1.2 Hình 1.2. Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng a) lò cảm ứng có mạch từ b) lò cảm ứng không có mạch từ 1. vòng cảm ứng, 2. mạch từ; 3. nồi lò; 4. tường lò bằng vật liệu chịu nhiệt * Phương pháp hồ quang điện Phương pháp hồ quang điện dựa vào ngọn lửa hồ quang điện. Hồ quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua chất khí. Trong điều kiện bình thường thì chất khí không dẫn điện, nhưng nếu ion hoá khí và dưới tác dụng của điện trường thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai điện cực tiếp cận nhau thì giữa chúng sẽ xuất hiện ngọn lửa hồ quang. Người ta lợi dụng nhiệt năng của ngọn lửa hồ quang này để gia công cho vật nung hoặc nấu chảy. Nguyên lý làm việc của hồ quang điện được biểu diễn trên hình 1.3 Hình 1.3. Nguyên lý làm việc của lò quang điện b) lò hồ quang trực tiếp b) lò hồ quang gián tiếp 1. điện cực, 2. ngọn lửa hồ quang; 3. vật gia nhiệt (kim loại); 4. tường lò Chương 2. Giới thiệu về các lò điện 2.1. Lò điện trở 2.1.1. Khái niệm chung và phân loại Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu… Phân loại lò điện trở có nhiều cách: a. Phân loại theo phương pháp toả nhiệt - Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm của lò này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc lò đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì vật nung có tiết diện như nhau theo suốt chiều dài của vật. - Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt năng toả ra ở dây điện trở (dây đốt), rồi dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt. b. Phân loại theo nhiệt độ làm việc - Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 6500C. - Lò nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc của lò từ 6500C đến 12000C. - Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 12000C. c. Phân loại theo nơi dùng - Lò dùng trong công nghiệp - Lò dùng trong phòng thí nghiệm - Lò dùng trong gia đình d.Phân loại theo đặc tính làm việc - Lò làm việc liên tục - Lò làm việc gián đoạn Lò làm việc liên tục được cấp điện liên tục và nhiệt độ giữ ổn định ở một giá trị nào sau quá trình khởi động (hình 2.1a). Khi khống chế nhiệt độ bằng cách đóng cắt nguồn thì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị nhiệt độ ổn định (hình 2.1b) Lò làm việc gián đoạn thì đồ thị nhiệt độ và công suất như hình 2.2 e. Phân loại theo kết cấu lò, có lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể… f. Phân loại theo mục đích sử dụng: có lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung … Ở Việt Nam thường dùng lò kiểu buồng để nhiệt luyện (tôi, ủ , nung, thấm than); lò kiểu giếng để nung, nhiệt luyện; lò muối để nhiệt luyện dao cắt qua muối nung… 2.1.2 Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ các vật liệu thoả mãn các yêu cầu sau: - chịu được nhiệt độ cao. - độ bền cơ khí cao. - có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài, khó bố trí trong lò hoặc tiết diện dây phải nhỏ, không bền). - hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo công suất lò). - chậm hoá già (tức dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo tuổi thọ của lò). 2.1.3 Vật liệu làm dây điện trở a. Dây điện trở bằng hợp kim - Hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm). Hợp kim này có độ bền cơ học cao vì có lớp màng Oxit Crôm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lò có nhiệt độ làm việc dưới 12000C. - Hợp kim Crôm - Nhôm (Fexran), có các đặc điểm như hợp kim Nicrôm nhưng có nhược điểm là giòn, khó gia công, độ bền cơ học kém trong môi trường nhiệt độ cao. b. Dây điện trở bằng kim loại Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ. d. Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại - Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu được nhiệt độ cao tới 14500C, thường dùng cho lò điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt. - Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo dưới dạng hạt có đường kính 2-3mm, thường dùng cho lò điện trở trong phòng thí nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 18000C. 2.14.Tính toán kích thước dây điện trở Trong mục này chỉ trình bày việc tính chọn dây điện trở là kim loại và hợp kim. Dây điện trở làm từ kim loại và hợp kim được chế tạo với hai tiết diện: tiết diện tròn và tiết diện chữ nhật. - Đối với tiết diện tròn cần tính hai thông số: đường kính dây d và chiều dài dây điện trở L. - Đối với dây điện trở tiết diện chữ nhật cần xác định các cạnh a, b (b/a = m = 5:10) và chiều dài dây đốt L. Trong thực tế có hai loại lò: một pha và ba pha. Nếu công suất của lò lớn hơn 5kW phải làm lò ba pha, tránh hiện tượng lệch phụ tải cho lưới điện. Nhưng khi tính toán chỉ cấn tính cho một pha, vị trí số điện trở của dây dẫn của ba pha phải như nhau. - Việc tính toán kích thước dây điện trở được dựa trên hai biểu thức sau: + Biểu thức phản ánh quá trình biến đổi điện năng thành nhiệt năng P = W.F.10 -3 [kW] (2.1) + Biểu thức phản ánh các thông số điện P = 2 2 R U × 10 3 = ρ 2 U × 10 3 [kW] (2.2) Trong đó: P - công suất của dây điện trở, kW W - công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực, W/cm 2 . F - diện tích xung quanh của dây điện trở, cm 2 . U - điện áp giữa hai đầu dây điện trở, V. R - điện trở của dây đốt, Ω. ρ - điện trở suất của vật liệu chế tạo dây điện trở, Ωmm 2 /m. L - chiều dài của dây điện trở m. S - diện tích của tiết diện cắt ngang của dây điện trở, mm 2 . Biểu thức (2.1) có thể viết dưới dạng sau: P = W.C.L.10 -2 [kW] (2.3) Trong đó: C - chu vi của dây điện trở, mm. Từ (2-3) rút ra được: L = CW P d × × −2 10 [m] (2.4) Từ biểu thức (2.2) rút ra: L = PR SU × × 2 × 10 3 [m] (2.5) Cân bằng hai biểu thức (2.4) và (2.5) ta có: C.S = WU P × × 2 2 ρ [mm3] (2.6) a. Đối với dây điện trở có tiết diện tròn C = лd, S = 4 2 d× π (2.7) Thay vào (2.6) và tìm d, ta có: d = 3 22 25 104 WU P ×× ××× π ρ [mm] (2.8) [...]... hiệu điều khiển 1 (ε = t0đặt – t0ph) + Cảm biến nhiệt độ 4, có chức năng gia công ra một tín hiệu điện tỷ lệ với nhiệt độ của lò Để nâng cao độ chính xác khi khống chế và ổn đinh nhiệt độ của lò điện trở, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở là hệ thống kín (có mạch vòng phản hồi) Việc điều chỉnh và ổn đinh nhiệt độ của lò được thực hiện thông qua việc thay đổi các thông số nguồn cấp cho lò Như... Công suất tiêu thụ của lò điện trở: P P1 = η × cos ϕ Trong đó: η - hiệu suất của lò (η = 0,7 ÷ 0,75) φ - hệ số công suất của lò (cosφ = 0,8 ÷ 0,85) Từ biểu thức trên ta rút ra rằng: để điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở Điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở có thể thực hiện bằng các phương pháp sau: - Hạn chế công suất cấp cho dây điện. .. lò hồ quang Trong một chu trình nấu luyện của lò hồ quang, trong mỗi giai đoạn, công suất điện tiêu thụ khác nhau Bởi vậy, điều chỉnh công suất lò hồ quang là một vấn đề quan trọng đối với công nghệ nấu luyện kim loại trong lò hồ quang Ngoài ra, điều chỉnh công suất lò trong toàn chu trình nấu luyện hợp lý cho phép: - Giảm thời gian nấu luyện - Nâng cao năng suất của lò - Giảm chi phí điện năng - Nâng. .. của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ được trình bày trên hình 2.2 Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ lò điện trở - Trong sơ đồ khối chức năng gồm có các khâu chính sau: + Lò điện trở 3 là đối tượng điều chỉnh với tham số điều khiển là nhiệt độ của lò (t0) - Bộ điều chỉnh và ổn định nhiệt độ 2 (thay đổi các thông số nguồn cấp cấp cholò điện trở) + Bộ tổng. .. dịch điện cực tức là điều chỉnh chiều dài ngọn lửa hồ quang, do đó điều chỉnh được công suất lò hồ quang Đó là nhiệm vụ cơ bản của các bộ điều chỉnh tự động các lò hồ quang - Các yêu cầu chính đề ra cho một bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang là: + Đủ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò, duy trì dòng điện hồ quang không tụt quá (4÷5)% trị số dòng điện làm việc Vùng không nhạy của bộ điều. .. nhiệt độ -Nhược điểm: Chỉ dùng được đối với lò điện nhiệt độ thấp (t0 ≤ 6500C), độ nhạy không cao do quán tính nhiệt của nước thuỷ ngân lớn + Nhiệt điện trở (RN) Trị số điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo biểu thức sau: RRN = RRNO(1 +αt0) [Ω] (2.17) Trong đó: RRN - trị số điện trở của nhiệt điện trở, Ω; RRNO- trị số điện trở của nhiệt điện trở trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ. .. độ lò điện trở điển hình a Sơ đồ khống chế nhiệt độ lò điện trở bằng bộ điều áp xoay chiều dùng triac (hình 2.3) Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện nguyên lý + Thông số kỹ thuật của lò: Đây là lò công suất nhỏ, nhiệt độ làm việc thấp dùng để nuôi, cấy vi trùng trong các viện nghiên cứu - Công suất định mức: P = 500W - Nhiệt độ làm việc: t0 = 370 ± 10 + Nguyên lý điều chỉnh và ổn định nhiệt độ: Nguyên lý điều. .. lò điện trở có công suất trên 5kW, để tránh hiện tượng lệch phụ tải cho lưới điện nên phải dùng lò 3 pha Để khống chế và ổn định nhiệt độ của lò người ta dùng bộ điều áp xoay chiều ba pha cấp điện cho dây điện trở của lò + Sơ đồ mạch lực của lò biểu diễn trên hình 2.5 Hình 2.5 Sơ đồ mạch lực lò 3 pha Sơ đồ được dùng cho lò điện trở có dải công suất tiêu thụ từ 5 đến 90 kW(tuỳ thuộc vào trị số dòngđiện... Nâng cao chất lượng thép Điều chỉnh công suất lò bằng cách thay đổi điện áp ra của BAL hoặc sự dịch chuyển điện cực để thay đổi chiều dài ngọn lửa hồ quang và như vậy sẽ thay đổi được điện áp hồ quang và công suất tác dụng của hồ quang Có thể duy trì công suất lò theo dòng Ihq, điện áp Uhq hoặc Zhq = Uhq/Ihq Bộ điều chỉnh duy trì dòng Ihq =const sẽ không mồi hồ quang tự động được Ngoài ra, khi dòng điện. .. cuộn sơ cấp (6 ÷ 10)kV, và có hệ thống tự động điều chỉnh điện áp dưới tải ` a Các thông số quan trọng của lò hồ quang là: + Dung tích định mức của lò: số tấn kim loại lỏng của một mẻ nấu + Công suất định mức của biến áp lò: ảnh hưởng quyết định tới thời gian nấu luyện và năng suất của lò b Chu trình nấu luyện của lò hồ quang gồm ba giai đoạn với các đặc điểm công nghệ sau: + Giai đoạn nung nóng nguyên . lớn. Thiết kế điều khiển nâng cao độ chính xác gia nhiệt Chương 1. Trang bị điện các thiết bị gia nhiệt Lò điện là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt. với nhiệt độ của lò. Để nâng cao độ chính xác khi khống chế và ổn đinh nhiệt độ của lò điện trở, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở là hệ thống