Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫnhoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU
Tổng quan về lò điện trở
1.1.1 Giới thiệu chung về lò điện a Định nghĩa
Lò điện là thiết bị chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng, phục vụ cho nhiều quy trình công nghệ như nung chảy và xử lý các vật liệu, kim loại và hợp kim khác nhau.
- Lò điện 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 hóa 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 điện được dùng để sất, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v…
Lò điện ngày càng trở nên phổ biến trong đời sống hàng ngày, không chỉ trong các ngành công nghiệp mà còn trong các thiết bị gia dụng như bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện và thiết bị sấy So với các lò sử dụng nhiên liệu truyền thống, lò điện mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm tính tiện lợi, an toàn và hiệu suất năng lượng cao hơn.
- 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
- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm
- Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ c Nhược điểm của lò điện
- Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng
1.1.2 Giới thiệu chung về lò điện trở a Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở hoạt động dựa trên nguyên lý khi dòng điện chạy qua dây dẫn hoặc vật dẫn, sẽ sinh ra nhiệt lượng 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 (Ω)
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 được làm nóng sẽ truyền nhiệt đến vật nung thông qua các phương thức như bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc sự kết hợp của chúng, và quá trình này được 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).
Trong thực tế công nghiệp, lò điện trở thường sử dụng các vật liệu đặc biệt để làm dây nung, đóng vai trò quan trọng trong bộ phận phát nhiệt của lò Những vật liệu này cần đảm bảo tính bền vững và khả năng chịu nhiệt cao để đáp ứng yêu cầu hoạt động của lò điện trở.
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 yêu cầu sau:
- Chịu nóng tốt, ít bị oxy hóa 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
- Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn
Dây nung kim loại trong lò điện trở công nghiệp thường được chế tạo từ các hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken do có điện trở lớn, đảm bảo hiệu suất hoạt động Việc sử dụng kim loại nguyên chất để chế tạo dây nung rất hiếm, vì chúng thường sở hữu những tính chất không thuận lợi cho quá trình nung.
- Hệ số nhiệt điện trở lớn
- Bị oxy hóa mạnh trong môi trường khí quyển 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 dung phổ biến là SiC, Grafit và than.
1.1.3 Cấu tạo lò điện trở a Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện
Hợp lý về công nghệ
Hợp lý về công nghệ trong cấu tạo lò không chỉ cần phù hợp với yêu cầu của quá trình công nghệ hiện tại mà còn phải đảm bảo khả năng sử dụng cho các quá trình công nghệ khác mà không làm phức tạp hay tăng giá thành Cấu trúc lò phải đáp ứng các điều kiện này để được coi là hợp lý nhất, điều này trở nên đặc biệt quan trọng khi nhu cầu về lò điện vượt xa khả năng sản xuất.
Hiệu quả về kỹ thuật
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng tối ưu hóa hiệu suất của kết cấu dựa trên các thông số như kích thước, công suất, trọng lượng và giá thành Đối với thiết bị hoặc sản phẩm, năng suất trên đơn vị công suất định mức và suất tiêu hao điện là những chỉ số quan trọng của hiệu quả kỹ thuật Trong khi đó, hiệu quả kỹ thuật của từng phần hoặc chi tiết được đánh giá thông qua công suất dẫn động, mô men xoắn và lực, liên quan đến trọng lượng, kích thước và giá thành của kết cấu.
Chắc chắn khi làm việc
Chất lượng kết cấu của các lò điện là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất trong quá trình sản xuất Các lò điện thường hoạt động liên tục, có thể lên đến ba ca mỗi ngày Sự không hoàn hảo của bất kỳ bộ phận nào trong lò sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ quy trình sản xuất, đặc biệt là trong các dây chuyền sản xuất tự động Ngay cả với các lò điện làm việc theo chu kỳ, việc ngừng hoạt động đột ngột cũng gây thiệt hại rõ rệt, dẫn đến hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên liệu và tăng giá thành sản phẩm.
Một chỉ tiêu quan trọng về độ tin cậy của bộ phận lò điện là khả năng thay thế nhanh chóng và khả năng dự trữ lớn trong quá trình hoạt động bình thường Để đảm bảo sự chắc chắn, cần chú ý đến các bộ phận thiết yếu quyết định sự hoạt động liên tục của lò, chẳng hạn như dây nung và băng tải.
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 sự dẻo 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 thuận lợi.
- Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh và tuyệt đối an toàn.
Rẻ và đơn giản khi chế tạo
Về mặt này yêu cầu:
- Tiêu hao vật liệu ít, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm (các kim loại màu, các hợp kim có hàm lượng niken cao…)
Công nghệ chế tạo đơn giản đề cập đến khả năng sản xuất với chi phí lao động tối thiểu, đồng thời tận dụng các thiết bị và dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo.
- 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 dàng đổi lẫn và thuận tiện khi lắp ráp.
Chọn lựa phương pháp gia công phù hợp như đúc, hàn và dập là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả trong quá trình chế tạo Đồng thời, cần loại bỏ những chi tiết và khâu gia công cơ khí không hợp lý để tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Hình dáng bề ngoài đẹp
Mỗi thiết bị và vật phẩm cần có kết cấu với hình dáng và tỷ lệ cạnh hợp lý, dễ nhìn Đồng thời, độ bền của kết cấu phải được chú ý, vì nó có mối liên hệ chặt chẽ với trọng lượng nhẹ và hình dáng bên ngoài hấp dẫn.
Gia công cuối cùng, chẳng hạn như sơn, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hình dáng bên ngoài cho lò điện Tuy nhiên, cần lưu ý tránh những trang trí không cần thiết để duy trì tính năng và hiệu quả của sản phẩm Cấu tạo của lò điện trở cũng cần được chú trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 1.1 Hình ảnh lò điện trở dạng lò giếng
Lò điện trở dạng lò giếng bao gồm ba thành phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung, như được thể hiện trong hình 1.1.
Giới thiệu chung về bộ điều áp xoay chiều
1.2.1 Các đặc điểm chung về bộ điều áp xoay chiều a Khái niệm và phân loại
Bộ điều áp xoay chiều là thiết bị điều chỉnh điện áp xoay chiều từ nguồn cố định, cho phép đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp ra tải với tần số điện áp ra tương ứng với tần số nguồn Điện áp xoay chiều có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau.
- Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van:
+ Điều áp xoay chiều một pha
+ Điều áp xoay chiều ba pha
- Phân loại theo van bán dẫn trong mạch:
+ Mạch dùng thyristor và diode b Ưu, nhược điểm của bộ điều áp xoay chiều
- Dễ điều chỉnh và tự động hóa
- Phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển
- Độ tin cậy và tuổi thọ cao
- Thích hợp với quá trình hiện đại hóa
- Tập trung hóa các quá trình công nghệ
Điều áp xoay chiều có nhược điểm chính là điện áp ra tải không đạt hình sin hoàn chỉnh trong toàn dải điều chỉnh Khi giảm điện áp ra, độ méo sóng tăng lên, dẫn đến sự gia tăng thành phần sóng hài bậc cao Do đó, với những tải yêu cầu khắt khe về độ méo và thành phần sóng hài, điều áp xoay chiều có thể không phù hợp để sử dụng.
- Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang của hệ chiếu sáng
- Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự động khống chế công suất điện đưa vào lò.
Điều áp xoay chiều được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ, đặc biệt phù hợp với các phụ tải như quạt gió và máy bơm li tâm, mặc dù phạm vi điều chỉnh không lớn Thiết bị này thích hợp cho các chế độ khởi động và đóng – ngắt nguồn cho động cơ điện xoay chiều.
Điều áp xoay chiều được sử dụng để điều chỉnh điện áp sơ cấp của các biến áp lực, từ đó kiểm soát điện áp ra cho tải Phụ tải có thể sử dụng dòng điện xoay chiều hoặc một chiều thông qua việc chỉnh lưu diode ở phía thứ cấp trong hai trường hợp cụ thể.
+ Điện áp thứ cấp thấp hơn nhiều điện áp sơ cấp nhưng dòng điện thứ cấp rất lớn, thí dụ như thiết bị hàn tiếp xúc
+ Điện áp thứ cấp mà tải yêu cầu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn, thí dụ như hệ thống nguồn cho điện phân, lọc bụi tĩnh điện
1.2.2 Van điều khiển thyristor a Cấu tạo, ký hiệu Thyristor
Hình 1.2 Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của thyristor
Thyristor là một phần tử bán dẫn được cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n và có ba cực: anode A, katot K và cực điều khiển G Đặc tính volt-ampere của thyristor được chia thành hai phần: phần thứ nhất nằm trong góc phần tư I, thể hiện đặc tính thuận khi điện áp U AK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư III, gọi là đặc tính ngược khi U AK < 0.
Hình 1.3 Đặc tính volt-ampere của thyristor
Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không ( = 0) I G
Khi dòng điện vào cực điều khiển của thyristor bằng 0 hoặc khi cực điều khiển bị hở mạch, thyristor sẽ ngăn cản dòng điện trong cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode và cathode Khi điện áp U AK < 0, dựa trên cấu tạo bán dẫn của thyristor, hai tiếp giáp sẽ hoạt động theo cách tương ứng.
Thyristor có cấu trúc tương tự như hai diode mắc nối tiếp với phân cực ngược, trong đó J1 và J3 phân cực ngược, còn J2 phân cực thuận Khi điện áp U AK tăng đến giá trị tối đa U ng.max, thyristor sẽ bị đánh thủng, dẫn đến dòng điện tăng lên rất lớn Quá trình đánh thủng này là không thể đảo ngược; do đó, nếu điện áp U AK giảm xuống dưới U ng.max, dòng điện sẽ không trở về mức dòng rò ban đầu, dẫn đến hỏng hóc của thyristor.
Khi điện áp anode-cathode (U AK) tăng theo chiều thuận và đạt giá trị lớn nhất (U th.max), dòng điện ban đầu chỉ là dòng rò rất nhỏ do điện trở mạch anode-cathode vẫn cao Tuy nhiên, khi U AK đạt U th.max, điện trở này đột ngột giảm, cho phép dòng điện qua thyristor chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếu dòng điện vượt quá mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì, thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận tương tự như diode Đặc tính thuận này cho thấy dòng điện có thể lớn nhưng điện áp rơi trên anode-cathode lại nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị dòng điện.
Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển ( > 0) I G
Khi có dòng điều khiển được đưa vào giữa cực điều khiển và cathode, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ diễn ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt giá trị tối đa U th.max Hình 1.2 mô tả hiện tượng này bằng các đường nét đứt tương ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau, như I G1, I G2, I G3 Cụ thể, nếu dòng điều khiển lớn hơn, điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra tại điện áp U AK nhỏ hơn.
Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0. c Mở, khóa thyristor
Thyristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, tương tự như diode, cho phép dòng điện chỉ chạy theo một chiều từ anode đến cathode và ngăn cản dòng chạy ngược lại Tuy nhiên, để thyristor có thể dẫn dòng, cần phải có điện áp U AK > 0 cùng với một số điều kiện khác, điều này phân biệt nó với diode, vốn không có khả năng điều khiển.
Khi thyristor được phân cực thuận với U AK > 0, nó có thể được mở theo hai phương pháp Phương pháp đầu tiên là tăng điện áp giữa anode và cathode cho đến khi đạt giá trị điện áp thuận lớn nhất.
Khi đạt đến điện áp U th.max, điện trở tương đương trong mạch anode - cathode sẽ giảm đột ngột, dẫn đến dòng điện qua thyristor hoàn toàn do mạch ngoài xác định Tuy nhiên, phương pháp này ít được áp dụng trong thực tế do nguy cơ mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể nâng điện áp đến giá trị U th.max Hơn nữa, điều này có thể dẫn đến tình trạng thyristor tự mở dưới tác động của các xung điện áp ngẫu nhiên, không thể dự đoán trước.
Phương pháp điều khiển thyristor thứ hai là việc áp dụng một xung dòng điện nhất định vào giữa cực điều khiển và cathode Xung dòng điện này sẽ chuyển thyristor từ trạng thái trở kháng cao sang trở kháng thấp khi điện áp anode - cathode nhỏ Nếu dòng qua anode - cathode vượt quá giá trị dòng duy trì, thyristor sẽ giữ trạng thái mở dẫn mà không cần xung dòng điều khiển Điều này cho phép điều khiển thyristor bằng các xung dòng có độ rộng nhất định, giúp giảm công suất của mạch điều khiển so với mạch lực mà thyristor điều khiển.
Khi thyristor đang dẫn dòng, nó sẽ trở về trạng thái khóa khi dòng điện giảm xuống dưới giá trị dòng duy trì, dẫn đến điện trở tương đương giữa anode và cathode tăng cao Để thyristor giữ trạng thái khóa với trở kháng cao, cần có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện, ngay cả khi điện áp anode - cathode trở lại dương (U AK > 0).
Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận với U AK > 0, hai lớp tiếp giáp phân cực thuận cho phép điện tích đi qua dễ dàng, trong khi tiếp giáp phân cực ngược bị lấp đầy Để khóa thyristor, cần giảm dòng anode-cathode dưới mức duy trì bằng cách giảm dòng hoặc áp điện áp ngược Sau khi dòng về bằng không, cần áp điện áp ngược (U AK < 0) trong thời gian phục hồi tối thiểu, chỉ sau đó thyristor mới có thể ngăn cản dòng điện theo cả hai chiều Trong thời gian phục hồi, dòng điện ngược giúp di chuyển điện tích ra khỏi tiếp giáp và nạp điện cho tụ điện tương đương, và thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần di chuyển ra khỏi cấu trúc bán dẫn.
J J 1 , 3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó.
Quá trình khóa một thyristor có dạng gần giống như khóa một diode.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Thiết kế mạch lực
Hình 2.11 Sơ đồ mạch lực khi đã có các phần tử bảo vệ dòng và áp
Ta có sơ đồ mạch lực khi đã có các phần tử bảo vệ như hình 2.1.
Lò điện hoạt động như một tải thuần trở, và khi van nhận tín hiệu điều khiển mở, dòng điện sẽ tăng đột ngột với tốc độ lớn Đặc tính của thyristor khi bắt đầu dẫn là không cho phép dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, nếu không sẽ dẫn đến hư hỏng Để bảo vệ van, cần thiết phải sử dụng điện cảm phía xoay chiều nhằm hạn chế tốc độ tăng của dòng điện.
Nguyên lý hoạt động chỉ cần tụ điện C, nhưng khi van dẫn, dòng phóng từ tụ qua van sẽ làm nóng van Do đó, cần thiết phải có điện trở R để hạn chế dòng điện này.
Do đó, khi dùng mạch RC mắc song song với van sẽ giúp bảo vệ quá áp cho van.
Tính chọn van mạch lực (Van thyristor)
+ Nhiệt độ lò từ 400˚C đến 500˚C
+ Công suất 8kW, hiệu suất 0,95
+ Nguồn xoay chiều ba pha 3x380V; 50Hz
Tính toán các thông số chọn van
- Đầu tiên, tính dòng điện mỗi pha của phụ tải theo công suất tải:
- Tính điện trở pha của tải:
- Chọn chỉ tiêu dòng van dựa vào trị số trung bình:
Vậy cần chọn thyristor với trị số dòng điện cỡ:
UThymax = 1,5Upha max = 1,5 220 = 466,7 (V) Vậy cần chọn thyristor chịu được điện áp khoảng:
Tính toán điều kiện làm mát cho van
Khi lựa chọn van, cần chú ý đến điều kiện làm mát, vì van hoạt động sẽ tỏa nhiệt lớn Điều kiện làm mát ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và tuổi thọ của van.
Van hoạt động trong điều kiện làm mát bằng không khí nhờ cánh tản nhiệt có thể hoạt động hiệu quả với 25% dòng định mức Trong khi đó, nếu được làm mát bằng quạt gió cưỡng bức, van có khả năng chịu đựng từ 30% đến 60% dòng định mức Đặc biệt, khi làm mát bằng nước, van có thể chịu được lên đến 80% dòng định mức.
Trong thiết kế điều chỉnh nhiệt độ cho lò điện trở, dòng điện qua van không quá lớn, do đó có thể áp dụng phương pháp làm mát tự nhiên cho van.
Từ những thông số tính toán ở trên, tra phụ lục 2 chọn được loại T10-12 do Nga chế tạo với các thông số kỹ thuật sau:
Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của van thyristor T10-12 của Nga
Các tham số Chú giải Trị số
Itb (A) Dòng điện trung bình tối đa cho phép chạy qua van trong điều kiện chuẩn 12
Iđỉnh (A) Trị số biên độ dòng điện dạng sin cho phép một lần qua van, sau đó phải ngắt điện áp đặt lên van 200
Dòng điện rò (Irò) khi van ở trạng thái khóa có giá trị mA, trong khi điện áp tối đa mà van có thể chịu đựng lâu dài ở cả hai chiều là từ 100-1200 du/dt (V/μs) Tốc độ tăng điện áp thuận lớn nhất đặt lên van là từ 50-1000 tph (μs), với thời gian phục hồi tính chất khóa cho van là từ 150-70 di/dt (A/μs) Đồng thời, tốc độ tăng dòng cực đại cho phép qua van nằm trong khoảng 40-200 ΔU (V), và sụt áp thuận trên van ở dòng định mức là 1,85.
Uđk (V) Điện áp điều khiển nhỏ nhất đảm bảo dòng điều khiển mở van 3
Iđk (mA) Dòng điều khiển nhỏ nhất vẫn đảm bảo mở được van 75
Tính chọn các phần tử bảo vệ van
Trong quá trình hoạt động, van cần được làm mát để tránh hư hỏng do nhiệt độ cao, và điều này đã được tính toán kỹ lưỡng Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi phải chịu áp lực và tốc độ dòng chảy tăng quá nhanh Để ngăn ngừa hiện tượng quá dòng và quá áp, cần áp dụng các biện pháp bảo vệ phù hợp Một trong những biện pháp phổ biến là mắc mạch R, C song song với van để bảo vệ khỏi áp suất quá mức, đồng thời sử dụng cuộn kháng nối tiếp để hạn chế tốc độ tăng dòng.
Mạch bảo vệ van gồm các phần tử L , R, C tham số của Thyristor T10-16 có Ia tbmax
= 12 A, Ung.max = 1200 V, du/dt là cấp 4, di/dt là cấp 2: du/dt = 200 V/às; di/dt = 40 A/às.
Chọn độ dự trữ điện áp k = 1,5, điện áp tối đa cho phép đặt lên van khi hoạtu động là:
Van được kết nối trực tiếp với lưới điện mà không sử dụng biến áp, do đó cần cuộn cảm để bảo vệ van khỏi tình trạng quá dòng Tốc độ di/dt sẽ đạt đỉnh khi dòng điện qua van ở mức cao nhất Nếu điện áp lưới không ổn định và dao động trong khoảng ±10%, thì giá trị U2max sẽ tương ứng với tình trạng này.
Hình 2.12 Mạch bảo vệ quá dòng L a
- Vì tải thuần trở nên cần có điện cảm L bảo vệ tốc độ tăng dòng qua thyristora
Tốc độ tăng dòng phụ thuộc vào điện áp đặt lên van, và chỉ đúng khi điện áp hoạt động nhỏ hơn 67% điện áp tối đa cho phép Cụ thể, điện áp lớn nhất khi làm việc là U2max = 342,24 V, trong khi điện áp tối đa cho phép đặt lên van là 1200 V.
Vậy tốc độ tăng dòng cho phép được lấy bằng trị số tra cứu di/dt = 40 A/.
- Từ đây có trị số điện cảm La để bảo vệ bằng:
Chọn điện cảm bảo vệ với giỏ trị L = 10 àHa
Hình 2.13 Mạch RC bảo vệ quá điện áp của thyristor
Biện pháp bảo vệ hiệu quả nhất hiện nay là sử dụng mạch RC kết nối song song với van, cần đặt càng gần van càng tốt để giảm độ dài dây nối Việc xác định trị số của mạch này là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho hệ thống.
RC ở đây cũng phức tạp do đó có hai phương pháp xác định trị số RC:
Khi lựa chọn linh kiện cho mạch điện, bạn nên dựa trên kinh nghiệm thực tế Đối với điện trở, hãy chọn những giá trị nằm trong khoảng từ chục đến trên một trăm ohm Đối với tụ điện, giá trị thường dao động từ 0,1 đến 2μF, trong đó van càng lớn thì tụ điện càng lớn và điện trở càng nhỏ đi.
Phương pháp tính toán thiết kế bảo vệ van yêu cầu các đồ thị đặc tính cụ thể của van Tuy nhiên, trong thực tế, việc thu thập đầy đủ các đường cong đặc tính cần thiết là rất khó khăn, do đó, người ta thường dựa vào kinh nghiệm để chọn giá trị R và C.
Theo tính toán, dòng qua van bằng 8,62 A là nhỏ nên giá trị của R, C được chọn theo giá trị chuẩn như sau:
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu chung của mạch điều khiển
- Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng thứ tự pha và theo đúng góc điều khiển α cần thiết.
- Đảm bảo phạm vi điều khiển α ÷ α tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tảimin max của mạch lực.
- Cho phép bộ điều áp làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu.
- Góc điều khiển mọi van không được lệch quá (1 ÷ 3)˚ điện.
- Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số.
- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
- Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms.
- Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van phù hợp để mở chắc chắn van.
Cấu trúc mạch điều khiển
Nguyên tắc điều khiển dọc
Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng pha, tạo ra các điện áp hình sin cùng tần số và có thể lệch pha so với điện áp nguồn, gọi là điện áp đồng pha Các điện áp này được đưa vào mạch phát triển điện răng cưa, sau đó đầu ra của điện áp răng cưa được kết nối với khâu so sánh, nơi có tín hiệu phản hồi tương đương với nhiệt độ của lò Tại khối so sánh, các xung điện áp xuất hiện với chu kỳ tương ứng, và một trong các sườn của xung răng cưa được sử dụng để tạo ra xung đầu ra Bằng cách thay đổi U trong khi giữ nguyên dạng của nó, thời điểm xuất hiện xung đầu ra có thể được điều chỉnh Tuy nhiên, nếu tín hiệu ra chưa đáp ứng yêu cầu, cần thực hiện khuếch đại và sửa xung qua mạch tạo xung, từ đó tạo ra chuỗi xung điều khiển Thyristor với các thông số cần thiết về công suất và độ dài Thời điểm bắt đầu xuất hiện xung trùng với xung đầu ra từ khối so sánh, và khối so sánh xác định góc điều khiển α, cho phép điều chỉnh vị trí xung điều khiển qua việc thay đổi U.
Chức năng của từng khâu
- Khâu đồng bộ (hay đồng pha): có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới, cho phép xác định được góc điều khiển α.
Khâu tạo điện áp tựa có chức năng tạo ra điện áp tựa (U) với dạng thích hợp, đảm bảo rằng trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp ra, điện áp này tuân theo quy luật giống nhau.
Có 2 dạng điện áp tựa:
+ Dạng răng cưa: (răng cưa sườn trước; răng cưa sườn sau)
Dạng hình sin của điện áp chỉnh lưu tuyến có ưu điểm là dễ dàng điều khiển, nhưng nhược điểm lớn là phụ thuộc vào lưới điện và dễ bị nhiễm từ nguồn.
Trong thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình răng cưa hơn.
Khâu so sánh thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, nhằm phát động xung có độ rộng phù hợp để điều khiển van.
Khâu tạo xung có vai trò quan trọng trong việc điều khiển thyristor, bởi vì xung dương sau khối so sánh là một xung vuông có độ rộng kéo dài từ khi xuất hiện cho đến hết nửa chu kỳ của điện áp chỉnh lưu Tuy nhiên, xung này chưa đủ để mở thyristor, vì vậy khâu tạo xung cần phải điều chỉnh để tạo ra tín hiệu thích hợp.
+ Chế biến xung ra thành dạng thích hợp cho việc mở thyristor (dạng xung kim đơn hoặc xung chùm)
+ Khuếch đại đủ công suất mở thyristor
+ Chia xung cấp cho các thyristor
- Khâu khuếch đại xung có nhiệm vụ khuếch đại để đảm bảo về:
+ Công suất xung điều khiển
+ Cách ly mạch lực với mạch điều khiển
Hình 3.15 Sơ đồ mạch khâu đồng pha
Chọn điện áp xoay chiều 380V từ mạch lực qua biến áp với hệ số K = 30 Để hạn chế dòng điện vào khuyếch đại thuật toán OA, thường chọn điện trở R1 sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán I < 1 mA Sơ đồ khâu đồng pha được thể hiện trong hình 3.2.
Bảng 3.2 Bảng thông số các thiết bị khâu đồng pha
Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số
3.2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa
Hình 3.16 Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa
Nguyên lý hoạt động của hệ thống bắt đầu từ điện áp V hình sin qua khuếch đại thuật toán OA, tạo ra chuỗi xung chữ nhật đối xứng U Phần điện áp dương của U được dẫn qua diode D vào khuếch đại thuật toán OA, tích phân thành điện áp tựa U Trong khi đó, điện áp âm của U mở zener diode, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch (với U = 0) trong vùng U âm Điện áp răng cưa hình thành từ quá trình nạp của tụ C Để đảm bảo điện áp tựa trong nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính, hằng số thời gian của tụ nạp cần được điều chỉnh hợp lý.
Thời gian tụ C phóng điện chính là thời gian tương ứng phạm vi điều chỉnh góc1 điều khiển α.
Chọn diode ổn áp Dz1 có U = 20V.Dz
Bảng 3.3 Bảng thông số các thiết bị khâu tạo điện áp răng cưa
Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số
Hình 3.17 Sơ đồ khâu so sánh
Trong sơ đồ điều khiển hình 3.4, ta dùng kiểu so sánh hai cửa (U = U + tựa, U - Uđk) do đó điện áp ra sẽ tuân theo quy luật:
Do đó, khi U > U thì U = U = -U , khi U < U thì ngược lại U = U =đk tựa ra ss bh đk tựa ra ss
Để xảy ra hiện tượng thay đổi trạng thái ở đầu ra (Uss), các điện áp đầu vào (U và U) phải cùng dấu, tức là cả hai đều âm hoặc đều dương Đồng thời, độ chênh lệch tối đa giữa hai cửa trong quá trình hoạt động không được vượt quá giới hạn cho phép của OA.
Các điện trở ở hai cửa vào của OA có thể không cần thiết nếu OA cho phép chênh lệch điện áp giữa các đầu vào ΔUvOA lớn hơn chênh lệch điện áp tối đa U với U Tuy nhiên, nếu (U – U) vượt quá mức cho phép của OA, thì cần có các điện trở này kết hợp với hai diode đấu song song ngược để bảo vệ đầu vào của OA Mặc dù hiện nay nhiều OA có ΔUvmax = ±18V cho phép bỏ các điện trở đầu vào, nhưng để đảm bảo an toàn, người ta vẫn thường sử dụng các điện trở này trong mạch thực tế.
3.2.4 Khâu tạo xung a Tạo dao động dùng IC logic
Hình 3.18 Sơ đồ mạch tạo dao động dùng IC logic
Hình 3.5 là một sơ đồ dùng 3 logic “NOT” và mạch RC để tạo thành dao động xung với chu kỳ T 1,4RC
Tạo tần số dao động khoảng 10kHz.
Tần số 10kHz tương đương chu kỳ là:
Bảng 3.4 Bảng thông số các thiết bị khâu tạo dao động
Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số
2 Tụ điện C 1 0,1àF b Khâu tạo xung chùm
Hình 3.19 Sơ đồ khâu tạo xung chùm
Trong sơ đồ hình 3.6, tín hiệu chỉ được truyền qua mạch “AND” khi điện áp ra U đạt mức cao tương ứng với logic “1” Điều này cho phép xung từ bộ dao động tần số cao đi vào khâu khuếch đại xung (KĐX).
“1” này lại phụ thuộc góc α nên kết quả có độ rộng xung chùm bằng (180˚ - α).
3.2.5 Khâu khuếch đại và biến áp xung
Hình 3.20 Sơ đồ khuếch đại xung ghép biến áp xung dạng xung chùm
Biến áp xung có tính vi phân yêu cầu phải có điện trở để tiêu tán năng lượng tích lũy trong các cuộn dây trong giai đoạn khóa của bóng bán dẫn, nếu không, biên độ xung sẽ giảm do lõi biến áp bị đẩy lên vùng bão hòa Hình 3.7 cho thấy điện trở R thực hiện nhiệm vụ này; khi T nhỏ, dòng điện qua biến áp xung sẽ chảy qua D – R, giúp năng lượng tiêu tán trên điện trở này Giá trị R thường được chọn dựa trên khả năng dẫn dòng tối đa cho phép của T2.
Khi R mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp của biến áp xung, nó sẽ làm giảm điện áp đặt vào biến áp Để duy trì điện áp ban đầu trên biến áp, có thể thêm tụ C vào mạch Trong giai đoạn T khóa, tụ điện cần được nạp kịp thời đến giá trị bằng nguồn E.
Thyristor đã chọn là T10-12 có U = 3V và I = 75mA R = U / I = đk đk đk đk đk
Chọn biến áp xung có tỉ số k = 2, vậy tham số điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp là:
Tham số điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp là:
Nguồn công suất phải có trị số lớn hơn U để bù sụt áp trên điện trở vì vậy, chọn 1
Ecs = 15V Từ E và I chọn T loại BD135 có tham số U = 45V; Ics 1 1 ce cmax = 1,5A; β = 401
Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng dẫn dòng:
U1 = E – U = 15 – Ics R2 Tính toán cho R2 cho thấy R2 = 15 – 0,0375.12 = 14,55V, lớn hơn 6V, đạt yêu cầu Để tăng cường mạch xung kích cho van, có thể sử dụng thêm tụ C để nâng cao áp.
Tần số xung chựm 10kHz T = 100às xc
Chọn T loại BC107 có U = 45V; I2 ce cmax = 0,1A; β = 1102
Bảng 3.5 Bảng thông số các thiết bị khâu khếch đại bằng biến áp xung
Số TT Tên thiết bị Số lượng Thông số
Chọn máy biến áp có hệ số biến áp xung là k = 2ba
Do chế độ làm việc của biến áp xung là từ hóa một phần Chọn ΔB = 0,2T; ΔH
Thể tích của lõi là:
Tra bảng cho trường hợp từ hóa một phần chọn lõi ferit loại 1408 có tiết diện lõi tương ứng S = 0,251 cmba 2
Số vòng dây cuộn sơ cấp là:
3.2.6 Khâu tạo điện áp điều khiển
Theo yêu cầu của đồ án, nhiệt độ lò cần được duy trì trong khoảng từ 400˚C đến 500˚C Để đo nhiệt độ với độ phân giải khoảng 100˚C, cần chọn cặp nhiệt điện tương ứng Sự thay đổi nhiệt độ từ 400˚C đến 500˚C sẽ tạo ra điện áp từ 2,56mV đến 3,2mV.
Do điện áp đo được rất nhỏ (chỉ khoảng mV), cần phải khuếch đại điện áp để đạt được giá trị tương ứng là U = 2,56V ÷ 3,2V Đồ án không yêu cầu hệ kín, vì vậy sẽ không có khâu phản hồi Trong trường hợp hệ hở, điện áp U sẽ được đặt.
MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG
Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển
Hình 4.1.Sơ đồ mạc h lực b Sơ đồ mạch điều khiển
Hình 4.2.Sơ đồ mạch điều khiển