thiết kế mạch công suất điều khiển lò nhiệt

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 trongcác 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 vàvận chuyễn vật phẩm

- Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bịgọn 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 mộtdây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ :

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 vậtnung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọilà nung gián tiếp.

Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hìnhdạng đơn giản ( tiết diện chữ nhật, vuông và tròn )

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp Chonên 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.a) Vỏ lò

Vỏ lò nhiệt là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trongquá trình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệtrời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò.

Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toànkín, còn đối với các lò nhiệt bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổngthất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều caolò.

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, phụtải 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 rungv.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 khicùng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò Khi kết cấu vỏ lò tròn, người tathường dùng thép tấm dày 3 - 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 – 2000mm và 8 – 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mmkhi đường kính vỏ lò khoảng 4500 – 6500 mm.

Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòngđệm tăng cường bằng các loại thép hình.

Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắttheo hình dáng thích hợp Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theoyêu cầu kín của lò Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn vàtán.

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 vàgạch 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 gọilà các khối đầm Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiếnhành 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 chuyểntrong 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 quyểnlò và ảnh hưởng của vật nung.

+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu Điều này đặc biệt quan trọngđối với lò làm việc chu kỳ.

Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa Mụcđích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt Riêng đối với đáy, phầncách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nóichung không yêu cầu.

Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là :+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu

+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu

+ ổn 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 bằngbột cách nhiệt.

+ Điện trở suất nhỏ

+ Hệ số nhiệt điện trở lớn

+ Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyễn bình thườngDây 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

Trong các lĩnh vực công nghiệp khác :

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò nhiệt được dùng để sất, mạvật phẩm và chuẩn bị thực phẩm

+ Trong các lĩnh vực khác, lò nhiệt được dùng để sản xuất các vậtphẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v

Lò nhiệt không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngàycàng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngườimột cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nướcđiện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v

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 kiệnkhắc 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 vớiquá trình công nghệ yêu cầu mà cọn tính đến khả năng sử dụng nó đối vớiquá trình công nghệ khác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công vàlàm tăng giá thành một cách rõ rệt Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiệnnhư thế mới coi là hợp lý nhất Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhucầu 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 cấukhi các thông số của nó xác định ( kích thước ngoài, công suất, trọng lượnggiá thành v.v ).

Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên mộtđơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v là các chỉ tiêucơ bản của hiệu quả kỹ thuật Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấuhoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, mômen 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 củachất lượng kết cấu của các lò nhiệt Thường các lò điện làm việc liên tụctrong một ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày Nếu trong khi làm việc, mộtbộ 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 dâychuyền sản xuất tự động Ngay đối với các lò nhiệt làm việc chu kỳ, lòngừng 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 hỏngsản 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 củalò nhiệt là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng dự trữ lớn khi lò làm việcbình thường Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộphận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò Thí dụ : dâynung, băng tải v.v

+ Tiện lợi khi sử dụng

Tiện lợi khi sử dụng nghĩa là yêu cầu:- Số nhân viên phục vụ tối thiểu

- Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và sựdẻo dai của nhân viên phục vụ.

- Số lượng các thiết bị hiếm và quí bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu- Bảo quản dễ dàng Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phận của thiết bị

- Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất.

- Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàngđổi lẫn và thuận tiện khi lắp ráp.

- Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo ( đúc,hàn, dập ) Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý + Hình dáng bề ngoài đẹp

Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hìnhdáng và tỷ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bềncủa kết cấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăngkhít với nhau.

Việc gia công lần cuối như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối vớihình dáng bề ngoài của lò điện Song cũng cần tránh sự trang trí không cầnthiết.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT2.1 CÁC PHƯƠNG ÁN MẠCH ĐỘNG LỰC

Các bộ chỉnh lưu 3 pha

a) Chỉnh lưu 3 pha hình tia

U d =3

U 2 sinθ.dθ=

3 6U2

2π cosαI d =

UdR

b) Chỉnh lưu cầu 3 pha

U d =6

2.1.1 Mạch điều áp xoay chiều 3 pha

Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công thức:

P = 3.

Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải , ta có thể thay đổi hoặc Tuy nhiên, trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi để cóthể thay đổi công suất ra 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 nguyên tắc tương tự như ở các

bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không 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 ta lại yêu cầu điện áp ra tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều người ta không dùng diot mà dùng triac vì đây là loại van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nó Tuy nhiên, do triac không thông dụng bằng tiristor nênthực tế người ta thường dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới :

Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp tiristor đấu song song ngược này là 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 hoàn toàn 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 khoá tiristor dễ dàng hơn nhiều so với triac.

Các mạch điều áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong quá trìnhđiều chỉnh, mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không 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 hoàn 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 tải không sin cũng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lò Các mạch điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng như biến áp hoặc động cơđiện, nên chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn Trong thực tế công 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 ( ).Quá trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn nhiều so với mạch một pha vì ở đây các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải

=

Hình 3.1: Sơ đồ bộ điều áp một pha

th y rõ s làm vi c c a đi u áp m t pha ta có d ng đ ng congĐển tác động lên cực điều khiển của Tiristor ấy rõ sự làm việc của điều áp một pha ta có dạng đường cong ực điều khiển của Tiristor ện là phải có điện ủa Tiristor ều kiện là phải có điện ộng lên cực điều khiển của Tiristor ạng đường cong ười ta mắc 2

đi n áp ra khi t i là đi n tr nh hình d i đây.ện là phải có điện ả mãn hai điều kiện là phải có điện ện là phải có điện ở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điện ư ư

i v i tr ng h p t i c m, các Tiristor s d n dòng t khi có l nh m và Đ ười ta mắc 2 ợc mở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điện ả mãn hai điều kiện là phải có điện ả mãn hai điều kiện là phải có điện ẽ dẫn dòng từ khi có lệnh mở và ẫn dòng từ khi có lệnh mở và ừ thời điểm ban đầu đến thời ện là phải có điện ở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điệnv t qua cu i bán k m t đo n ược mở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điện ỳ của điện áp Do đó, người ta mắc 2 ộng lên cực điều khiển của Tiristor ạng đường cong  do tính chất của tải điện cảm (trong điều kiện điện áp dương Anod).

Ng i ta c ng có th s d ng Triac đ thay th cho c p Tiristor m c songười ta mắc 2 ũng có thể sử dụng Triac để thay thế cho cặp Tiristor mắc song ển tác động lên cực điều khiển của Tiristor ử dụng một Tiristor thì nó chỉ có thể ụng một Tiristor thì nó chỉ có thể ển tác động lên cực điều khiển của Tiristor ếu chỉ sử dụng một Tiristor thì nó chỉ có thể ặp Tiristor mắc song ắc 2song ng c v i ch t l ng đi n áp ra t t h n Nh ng hi n t i ch t l ng ược mở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điện ấy rõ sự làm việc của điều áp một pha ta có dạng đường cong ược mở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điện ện là phải có điện ư ện là phải có điện ạng đường cong ấy rõ sự làm việc của điều áp một pha ta có dạng đường cong ược mở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điệnTriac ch a th t cao và vi c s d ng c p Tiristor m c song song ng c ư ật cao và việc sử dụng cặp Tiristor mắc song song ngược ện là phải có điện ử dụng một Tiristor thì nó chỉ có thể ụng một Tiristor thì nó chỉ có thể ặp Tiristor mắc song ắc 2 ược mở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điệnv n là ph bi n Do đó trong ph n đ án này s không đ c p đ n đi u áp b ng ẫn dòng từ khi có lệnh mở và ếu chỉ sử dụng một Tiristor thì nó chỉ có thể ần tác động lên điện áp điều khiển nghĩa là làm thay ồ án này sẽ không đề cập đến điều áp bằng ẽ dẫn dòng từ khi có lệnh mở và ều kiện là phải có điện ật cao và việc sử dụng cặp Tiristor mắc song song ngược ếu chỉ sử dụng một Tiristor thì nó chỉ có thể ều kiện là phải có điện ằng Triac.

2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN2.2.1 Chọn phương án

2.2.2 Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải

Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai đoạn sẽ có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật dưới đây ta có thể có được biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán Dưới đây là các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều bapha:

+Nếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồnđều 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.

+Không 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 ba pha Tiếp theo, từ những biểu thức điện áp của từng giai đoạn đó ta lại có thể tính toán được các đại lượng cần tính như điện áp, dòng điện, công suất

Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và góc  :

Công suất tải là : trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải Dòng điện này biến thiên theo hai trong ba quy luật dẫn dòng của van như sau :

 Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) :