thiết kế bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều cho lò nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN : ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề bài : Đề số 45 Tên đề bài : Thiết kế bộ điều khiển lò nhiệt Yêu cầu về công nghệ Thông số thiết kế Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều Điện áp cho lò 3 .380V ,Dải công suất cần điều chỉnh P =5 – 75KW Giáo viên hướng dẫn : ĐOÀN VĂN TUÂN Sinh viên : LÊ NGỌC NAM Hải Phòng , năm 2012 1 Mục lục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1. Giới thiệu chung về lò nhiệt……………………………… trang 1 1.2. Cấu tạo lò nhiệt…………………………………………… trang 2 1.3. Yêu cầu của lò nhiệt…………………………………….… trang 5 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1. Các phương án mạch động lực………………………….… trang 8 + Mạch điều áp xoay chiều 1 pha…………………………….…trang 10 + Mạch điều áp xoay chiều 3 pha……………………………….trang 12 2.2. Lựa chọn phương án……………………………………… trang 19 2.3. Tính chọn van và các thiết bị bảo vệ…………………… …trang 20 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1. Nguyên lý chung của mạch điều khiển…………………… trang 27 3.2. Cấu trúc của mạch điều khiển…………………………….…trang 28 3.3. Các phương pháp điều khiển……………………………… trang 28 3.4. Tính toán mạch điều khiển………………………………….trang 29 + Khâu đồng pha……………………………………………… trang 30 + Khâu tạo điện áp răng cưa…………………………………… trang 30 + Khâu so sánh ………………………………………………… trang 31 + Khâu phát xung chùm………………………………………….trang 34 + Khâu khuếch đại xung và biến áp xung………………… ……trang 36 + Khối nguồn………………………………………………….…trang 40 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT. * Lò nhiệt là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v * Ưu điểm của lò nhiệt so với các lò sử dụng nhiên liệu Lò nhiệt so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau : - Có khả năng tạo được nhiệt độ cao - Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao - Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ - Kín - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm. - Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ * Nhược điểm của lò nhiệt. - Năng lượng điện đắt. - Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng. 1.1.1 . NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LÒ NHIỆT. Lò nhiệt làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây 3 dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ: Q=I2RT Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J) I - Dòng điện tính bằng Ampe (A) R - Điện trở tính bằng Ôm T - Thời gian tính bằng giây (s) Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò : - Vật nung : Trường hợp này gọi là nung trực tiếp - Dây nung : Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp. + Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản ( tiết diện chữ nhật, vuông và tròn ) + Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói đến lò nhiệt không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò. 1.2. CẤU TẠO LÒ NHIỆT. Lò nhiệt thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung. 4 a) Vỏ lò - Vỏ lò nhiệt là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò. - Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò nhiệt bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò. - Trong những trường hợp riêng, lò nhiệt có thể làm vỏ lò không bọc kín. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò ( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. + Vỏ lò chữ nhật thườnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v + Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép tấm dày 3 - 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm và 8 – 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò khoảng 4500 – 6500 mm. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình. Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu 5 cầu kín của lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán. b) Lớp lót * Lớp lót lò nhiệt thường gồm hai phần : vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. - Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các khối đầm. - Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn. - Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau : + Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò. + Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc. + Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc. + Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn. + Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò và ảnh hưởng của vật nung. + Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm việc chu kỳ. - Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục 6 đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu. - Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là : + Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu + Khả năng tích nhiệt cực tiểu + Ôn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định. - Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt. c) Dây nung - Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Trong công nghiệp, các lò nhiệt dùng phổ biến là dây nung kim loại. Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò nhiệt công nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm - Niken là các hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung như : + Điện trở suất nhỏ + Hệ số nhiệt điện trở lớn 7 + Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyễn bình thường Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng - Dây nung phi kim loại Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than * PHẠM VI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ. - Lò nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật : + Sản xuất thép chất lượng cao + Sản xuất các hợp kim phe-rô + Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện + Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi + Sản xuất đúc và kim loại bột Trong các lĩnh vực công nghiệp khác : + Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò nhiệt được dùng để sất, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm + Trong các lĩnh vực khác, lò nhiệt được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v Lò nhiệt không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v 8 1.3. YÊU CẦU CÔNG NGHỆ. • Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yều cầu sau : + Chịu nóng tốt, ít bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao + Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao + Điện trở suất phải lớn + Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ + Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi + Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng • Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện +Hợp lý về công nghệ Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công nghệ yêu cầu mà cọn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ khác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành một cách rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như thế mới coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầu về lò nhiệt vượt xa khả năng sản xuất ra nó. + Hiệu quả về kỹ thuật Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu 9 khi các thông số của nó xác định ( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng giá thành v.v ). Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men xoắn, lực v.v ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu. + Chắc chắn khi làm việc Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng kết cấu của các lò nhiệt. Thường các lò điện làm việc liên tục trong một ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày. Nếu trong khi làm việc, một bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản suất chung. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lò nhiệt làm việc liên tục trong dây chuyền sản xuất tự động. Ngay đối với các lò nhiệt làm việc chu kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá huỷ chế độ làm việc bình thường của lò ) có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liêu và làm tăng giá thành sản phẩm. Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò nhiệt là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường. Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ 10 [...]... một nguồn điện xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải ta có thể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) dùng van bán dẫn Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo ngun tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua khơng của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van ) Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà... đến chế độ làm việc của lò Các mạch điều áp xoay chiều khơng phù hợp với tải dạng cảm kháng như biến áp hoặc động cơ điện, nên chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh điện áp khơng lớn Trong thực tế cơng nghiệp, các mạch điều áp xoay chiều thường sử dụng là các mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao( Y ) hoặc tải hình tam giác ( ∆ ) Q trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn... trúc mạch điều khiển thyristor UAK : điện áp điều khiển ( điện áp một chiều ) Ut : điện áp tựa ( đồng bộ với điện áp A-K của thyristor ) Hiệu điện áp | Uđk – Ut | đưa vào khâu so sánh (1) : làm việc như một trigơ Đầu ra nhận được một chuỗi xung chữ nhật (2) : khâu tạo xung (3) : khâu khuếch đại xung (4) : khâu biến áp xung Thay đổi Uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được... trên điện trở tải giữa hai dây đó là điện áp dây còn điện áp rơi trên hai điện trở còn lại bằng một nửa điện áp dây 2.3 TÍNH CHỌN VAN BÁN DẪN Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò nhiệt ta sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu sao.Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa cơng suất ra tải P và góc điều khiển α Với α = 0 ÷ 60 o : 2 3U dm π α... dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải đều khơng sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở như lò điện trở , bóng đèn loại sợi đốt v v Dòng điện sẽ liên tục và đồng thời trở thành hình sin hồn chỉnh chỉ khi điện áp ra tải lấy bằng điện áp nguồn Như vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận được một dải n sóng hài hình sin Mặc dù vậy, với tải là điện trở thuần thì việc dạng điện áp ra... điều áp xoay chiều ba pha: +Nếu mỗi pha có một van dẫn thì tồn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối ra tải +Nếu chỉ hai pha có van dẫn thì một pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó điện áp đưa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn +Khơng thể có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng Dựa vào quy luật dẫn dòng của van trong từng giai đoạn mà ta có thể xây dựng được đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều. .. góc điều khiển α = 0 nhưng với α =30 thì cơng suất ra tải cũng xấp xỉ khi α = 0 22 Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu tiristor đấu song song ngược tải thuần trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng như vậy Tuy nhiên, do tải đấu tam giác nên khi mạch có ba van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải là điện áp dây, khi mạch có hai van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải giữa hai dây đó là điện. .. dòng xoay chiều Các van tiristor được phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hồn tồn đối xứng Một ưu điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngược nhau thay thế cho triac trong mạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở và khố tiristor dễ dàng hơn nhiều so với triac Các mạch điều áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong q trình điều chỉnh, ... Do điện áp ngược trên van lớn cho nên nó được sử dụng cho tải có u cầu điện áp thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn van - Do chỉ có một van dẫn nên sụt áp trên van là nhỏ cho nên cơng suất tiêu thụ của van là nhỏ - Việc điều khiển mở van là dễ dàng 13 Nhược điểm: - Điên áp ra có độ đập mạch lớn cho nên xuất hiện nhiều thành phần điều hồ bậc cao - Hiệu suất sử dụng máy biến áp khơng cao Vì điện. .. điều kiện là phải có điện áp dương Anot và có xung điều khiển tác động lên cực điều khiển của Tiristor Đối với điện áp xoay chiều, nếu chỉ sử dụng một Tiristor thì nó chỉ có thể làm việc được trong một nửa chu kỳ của điện áp Do đó, người ta mắc 2 Tiristor song song ngược để có thể làm việc được trong cả chu kỳ Lúc này, để thay đổi điện áp ra ta chỉ cần tác động lên điện áp điều khiển nghóa là làm thay . tải. Khi có sẵn một nguồn điện xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải ta có thể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) dùng van bán dẫn. Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo ngun. nhiệt Yêu cầu về công nghệ Thông số thiết kế Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều Điện áp cho lò 3 .380V ,Dải công suất cần điều chỉnh P =5 – 75KW Giáo viên hướng dẫn : ĐOÀN VĂN. một chiều mà ta lại u cầu điện áp ra tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều người ta khơng dùng diot mà dùng triac vì đây 16 là loại van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện xoay chiều