Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở

Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã dạy dỗ và giúp đỡ chúng em đến ngày hôm nay, đặc biệt là các thầy, các cô trong Khoa Điện trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. Chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Vinh đã trực tiếp hướng dẫn chúng em làm đồ án, Ths.Nguyễn Thu Hà, giáo viên chủ nhiệm lớp, đã giúp đỡ và tư vấn đồ án cho chúng em. Chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Dù chúng em đã có nhiều cố gắng, nhưng vẫn không thể tránh khỏi những thiếu sót, xin được các thầy, các cô chỉ dẫn thêm để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện đồ án 1 Đồ án tốt nghiệp LỜI GIỚI THIỆU Hệ thống điều khiển nhiệt độ chiếm vị trí hết sức quan trọng trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, sinh học, luyện kim, lọc dầu,xi măng…Ở đó đòi hỏi phải đảm bảo nhiệt độ ở mức cần thiết theo yêu cầu công nghệ, trong đó ổn định nhiệt độ của lò nhiệt là chiếm tỉ lệ khá cao. Trong một số trường hợp thì tham số động học của lò thay đổi theo thời gian đồi hỏi tham số của bộ điều khiển phải thay đổi hoặc phải bù trừ tham số để phù hợp với sự thay đổi tham số của lò, nâng cao chất lượng hệ thống. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó chúng em chọn đề tài: “Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở”. Đề tài thực hiện gồm các phần sau: -Tìm hiểu lò điện trở theo mô hình tự xây dựng -Nhận dạng tham số động học của hệ thống ở điều kiện chuẩn. -Giới thiệu về các phần tử mạch và thiết kế mạch điều khiển cho lò. -Tổng hợp cấu trúc và thuật toán điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở. Để thực hiện đề tài và hoàn thiện sản phẩm chúng em đã tìm tòi nghiên cứu, thí nghiệm và chính điều này đã giúp chúng em hiểu sâu sắc hơn những kiến thức mà chúng em được học và là điều kiện giúp chúng em vận dụng kiến thức đó vào thực tế. Nó giúp chúng em hình thành được một hệ thống kiến thức, kinh nghiệm và kĩ năng cấn thiết để có thể vận dụng lý thuyết vào thực hành một cách thành thạo. Trên đây là những vấn đề cơ bản về đề tài nghiên cứu của chúng em. Do trình độ hiểu biết có hạn, thời gian thực hiện đề tài gấp rút, nên không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô để chúng em có phương hướng nghiên cứu sâu hơn và hoàn thiện đề tài của mình hơn. 2 Đồ án tốt nghiệp Chương 1 LÒ ĐIỆN VÀ PHÂN LOẠI LÒ ĐIỆN 1.1 Lò nhiệt 1.1.1 Khái niệm Lò nhiệt là thiết bị nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao để thực hiện quá trình công nghệ : nung nóng, nấu chảy, sấy… Lượng nhiệt cấp cho lò là nhiệt năng toả ra khi đốt cháy nhiên liệu hoặc biển đổi điện năng thành nhiệt năng. Cấu trúc hợp lý của lò ,chế độ nhiệt và nhiệt độ phù hợp với yêu cầu công nghệ là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp và quyết định tới : -Chất lượng sản phẩm. -Năng suất của lò và năng suất của các thiết bị liên quan tới lò. -Giảm tỷ lệ phế phẩm, giảm chi phí vật liệu ,giảm suất tiêu hao nhiên liệu. -Không làm ô nhiễm môi trường 1.1.2 Chế độ nhiệt của lò a. Nhiệt độ lò -Nhiệt độ lò là nhiệt độ đặc trưng mang tính quy ước.Nhiệt độ lò không phải là nhiệt độ của nguồn nhiệt ( ngọn lửa, khói lò,hoặc dây đốt ) -Nhiệt độ lò là nhiệt độ trung bình trong không gian làm việc của lò, thưởng thì nhỏ hơn nhiệt độ nguồn nhiệt b. Chế độ nhiệt độ của lò -Nhiệt độ lò có thể thay đổi theo không gian làm việc của lò, có thể thay đổi theo thời gian. -Sự thay đổi nhiệt độ lò theo thời gian được gọi là chế độ nhiệt của lò. )f(t LO τ = (1-1) Trong đó, f là hàm số , τ là thời gian. -Việc chọn lựa chế độ của lò thích hợp thường phải xuất phát từ đòi hỏi công nghệ. Khi nhiệt độ của lò không thay đổi theo thời gian thì : 3 Đồ án tốt nghiệp 0 t LO = ∂ ∂ τ (1-2) Ở chế độ này người ta gọi là chế độ ổn định nhiệt. -Khi nhiệt độ của lò thay đổi theo thời gian, người ta gọi là chế độ nhiệt độ không ổn định.Ở chế độ nhiệt độ không ổn định có 0 t LO ≠ ∂ ∂ τ (1-3) c.Chế độ nhiệt của lò -Lượng nhiệt cung cấp cho lò ở mỗi thời điểm được gọi là phụ tải nhiệt ở thời điểm chế độ đó.Chế độ nhiệt của lò là sự thay đổi theo thời gian của phụ tải )f(Q τ = (1-4) Trong đó, Q là phụ tải nhiệt, τ là thời gian, f là hàm số. -Chế độ nhiệt không ổn định là chế độ nhiệt thay đổi theo thời gian Chế độ nhiệt và chế độ nhiệt độ thường có quan hệ mật thiết với nhau, người ta thường dựa vào yêu cầu công nghệ để lựa chọn chế độ nhiệt độ của lò. Sau khi xác lập được chế độ nhiệt độ của lò, người ta tiến hành tính toán việc cấp nhiệt cho lò để đảm bảo đúng chế độ nhiệt độ đã cho. 1.2 Lò điện -Lò điện là thiết bị biển đổi điện năng thành nhiệt năng dùng trong công nghệ nung nóng, nấu chảy, sấy…vật liệu. -Lò điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. 1.2.1 Đặc điểm của lò điện - Có khả năng tạo nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể tích nhỏ. - Do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao nên lò có tốc độ nung nóng lớn,năng suất cao. - Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điểu chỉnh và khống chế chế độ nhiệt và chế độ nhiệt độ của lò. 4 Đồ án tốt nghiệp - Lò đảm bảo độ kín, có thể nung nóng trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ. - Có khả năng tự động hoá cao, đảm bảo điều kiện vệ sinh 1.2.2 Một số loại lò điện Các lò điện chủ yếu bao gồm một bình chứa đa phần là kín trong đó đạt được một nhiệt độ tương đối cao. Được dùng cho nhiều hoạt động chẳng hạn như làm nóng chảy, nung, ủ, tôi, luyện, tráng men, xử lý nhiệt các mối hàn. Tuỳ theo trường hợp mà chúng được gọi là lò cất, lò chuông, lò chậu, lò luyện, lò hầm Một số lò bao gồm các bộ phận cho phép, chẳng hạn lật nghiêng lò, hoặc một phòng đặc biệt để xử lý các nguyên liệu trong áp lực khí quyển thấp. Theo cách thức đun nóng được dùng, người ta phân biệt: Các lò điện công nghiệp hoặc trong phòng thí nghiệm, kể cả các lò hoạt động do cảm ứng hoặc do hao phí điện môi. Ta thường gặp một số loại lò điện sau đây: a.Các lò điện trở (nung nóng gián tiếp) trong đó nhiệt thu từ dòng điện chạy qua các điện trở nóng lên. b.Các lò dùng cảm ứng ở tần số thấp Trong đó vật liệu đem xử lý được đặt trong một trường điện từ tạo ra bởi dòng điện tần số thấp của cuộn sơ cấp, tạo ra các dòng từ cảm, chúng đưa vật liệu lên nhiệt độ cần thiết. Trong một số lò, vật liệu nung chảy đi qua từ nơi lò chính sang ống ruột gà thẳng đứng, ở đó vật liệu cũng chịu tác động của dòng cảm ứng nung nóng. c.Các lò phản ứng ở tần số cao Trong đó dòng điện của tần số cao của một mạch sơ cấp (thông thường một tần số rađio) gây ra các dòng Fucô trong vật liệu muốn làm nóng chảy. Khác với lò trước, lò kiểu này không có lõi từ tính. d.Các lò nung nóng bằng hao hụt điện môi Trong đó vật liệu đem xử lý, không phải là chất dẫn điện, được giữ giữa hai miếng kim loại nối với một nguồn điện xoay chiều có tần số rất cao. Tổng 5 Đồ án tốt nghiệp thể hoạt động theo một nguyên tắc tương tự như nguyên tắc của tụ điện, sức nóng gây ra từ việc mất điện môi mà vật liệu xử lý là nồi hội tụ e.Các lò đun nóng bằng điện trở Trong đó dòng điện chạy qua chính vật liệu xử lý, sức nóng rút ra từ các điện trở mà các vật liệu nói ở trên tạo ra khi điện đi qua. Lò này sử dụng trước nhất cho các thanh kim loại hoặc các sản phẩm hạt, bao gồm thông thường các thùng chậu đựng các chất phải xử lý. f.Các lò tắm Trong vật phải xử lý được ngâm trong một bồn tắm phù hợp (kim loại nóng chảy, dầu nhờn, muối nóng chảy ) bồn tắm ở nhiệt độ đòi hỏi thông qua các điện cực nhúng ngập. g.Các lò hồ quang Trong đó sức nóng phát sinh bởi một hồ quang điện giữa các điện cực hoặc giữa một điện cực và vật liệu để nóng chảy. Các lò thuộc loại này được vận dụng chính cho các lò sản xuất gang, thép đặc biệt, nhôm, các loại thép hợp kim, các bua can xi, để rút muối từ sắt, để lấy azốt khí quyển Một số lò hồ quang với nhiệt độ tương đối cao cũng được dùng cho việc sản xuất kẽm hoặc phốt pho h.Các lò luyện sử dụng tia hồng ngoại Trong đó vật liệu xử lý được chiếu tia của một số đèn điện đặc biệt tức là đèn hồng ngoại, hoặc từ miếng kim loại phát xạ bố trí khác nhau.Đôi khi người ta dùng trong cùng một lò nhiều quy trình nung chảy bằng điện, chẳng hạn cảm ứng ở tần số cao hoặc thấp cho kim loại, hoặc cho một số lò bánh bích quy, điển hình là cảm ứng và các tia hồng ngoại. hờ quá tình tạo nhiệt. 1.2.3 Lò điện trở a.Khái niệm 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 6 Đồ án tốt nghiệp 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… b.Nguyên lý làm việc của lò điện trở Khi dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R (vật rắn hoặc chất lỏng) nó sẽ toả ra nhiệt lượng theo định luật Joule-Lence tRIQ 2 = (1-5) Trong đó: R- điện trở nung, I- cường độ dòng điện, t- thời gian dòng chạy qua c.Phân loại lò điện trở Lò điện trở tác dụng trực tiếp: là lò điện trở mà vật nung được nung trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm của loại này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc lò đơn giản. Lò điện tác dụng gián tiếp: là lò điện trở mà nhiệt được toả ra ở dây điện trở rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hay truyền nhiệt. 1.3 Một số phương pháp điều khiển lò 1.3.1.Ba phương pháp khống chế chế độ nhiệt của lò Từ biểu thức (1-5) ta thấy, muốn thay đổi lượng nhiệt Q ta có thể thay đổi điện trở vậ dẫn (R), thay đổi dòng điện (I) chảy qua vật dẫn hoặc thay đổi thời gian (t) cho dòng điện chảy qua vạ dẫn. a.Thay đổi R Nếu tăng hoặc giảm R thì Q thay đổi. Tuy nhiên, phương pháp này dẫn đến tốn năng lượng do đốt điện trở phụ thêm nếu như muốn thay đổi Q. b.Thay đổi I bằng cách thay đổi điện áp cung cấp Phương pháp này thường dùng máy biến áp để hạ hoặc tăng áp. Tuy nhiên việc điều khiển nhiệt đọ không trơn. c.Thay đổi thời gian t ( thời gian dòng điện chạy qua ) 7 Đồ án tốt nghiệp Ngày nay với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, người ta đã chế tạo ra những thiết bị bán dẫn công suất lớn như: Diode, Tiristor, Triac, Transitor… chịu được dòng áp lớn. Ba phương pháp trên thì phương pháp thay đổi thời gian t sử dụng công nghệ bán dẫn thuận tiện nhất, có thể tự động hoá một cách dễ dàng. 1.3.2 Sử dụng Transistor khống chế thời gian dòng chạy qua a. Kí hiệu Thông thường trong mạch điều khiển sử dụng hai loại transistor pnp và npn có kí hiệu như trên hình 1.1.a và 1.1.b. b.Đặc tính Vôn-ampe của transitor loại npn được thể hiện trên hình 1.1.c.                         Hình 1.1 Kí hiệu transitor pnp (a) và npn (b), đực tính Vôn-ampe của transitor c. Sử dụng transistor khống chế thời gian dòng chảy qua.                    Hình 1.2 Khống chế dòng điện bắng transitor 8 Đồ án tốt nghiệp Mạch có sơ đồ trên hình 1.2.a. Bằng cách thay đổi xung ở chân B cung cấp cho Transistor, ta có thể thay đổi thời gian chạy qua. Để khống chế thời gian tồn tại dòng điện sấy của lò, ta có thế thay đổi chu kỳ xung T, giữ nguyên Tx, cũng có thể giữ nguyên chu kỳ xung thay đổi thời gian Tx (hình 1.2.b). 1.3.3 Sử dụng Tiristor khống chế thời gian dòng chạy qua lò a.Kí hiệu Tiristor Kí hiệu transistor như hình 1.4.                         Hình 1.3 Cấu trúc (a), mạch tương đương (b), kí hiệu (c) và đặc tính Volt- Awmpe của Tiristor b.Đặc tính Vôn-Ampe của tiristor Đoạn 1: Ứng với trạng thái khoá của Tiristor chỉ có dòng rò chạy qua khi điện áp chuyển trạng thái quá trình tăng nhanh chóng của dòng điện Tiristor chuyển sang trạng thái mở. Đoạn 2: Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J 2 , trong giai đoạn này, mỗi một lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với lượng giảm lớn điện áp đặt trên Tiristor. Đoạn 3: Ứng với trạng thái mở của Tiristor. Khi này, cả 3 mặt ghép trở thành dẫn điện. Đoạn 4: Ứng với trạng thái Tiristor bị đặt dưới trạng thái điện áp ngược. Nếu tăng U đến quá Z U mặt ghép bị chọc thủng, Tiristor bị phá huỷ. c.Sơ đồ khống chế dòng chạy qua lò. Không sử dụng cầu chỉnh lưu 9 Đồ án tốt nghiệp Bằng cách khống chế xung ở chân G của Tiristor ta có thể khống chế thời gian tồn tại dòng điện qua L R .                   Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lí (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dòng điện chạy qua lò không sử dụng cầu chỉnh lưu Có sử dụng chỉnh lưu cầu có sơ đồ nguyên lí tren hình 1.5.a.                      Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí (a) đồ thị thời gian mạch khống chế dòng điện chạy qua lò có sử dụng cầu chỉnh lưu với Thiristor Để điều khiển thời gian tồn tại dòng L I ta điều khiển thời gian tồn tại của G U . Giản đồ xung áp của mạch thể hienj trên hình 1.5.b. 1.3.4 Sử Dụng Triac khống chế thời gian dòng chạy qua a.Kí hiệu của Triac như trên hình 1.6.a. 10 [...]... Gii thiu lũ in tr cú mch vũng iu khin nhit a S khi 11 ỏn tt nghip r(t) e(t) Nhiệt độ (-) đặt Bộ ĐK Tạo xung y(t) u(t) Lò điện Nhiệt độ lò Cơ cấu đo Hỡnh 1.8 S khi mch iu khin nhit lũ nhit b H thng cung cp nng lng cho lũ S mch in nh trờn hỡnh 1.9.a Mch to xung c cỏch li vi mch ng lc nh b quang in MOC3021 Triac loi TBA10 cho phộp dũng in ph ti n 10A t ngun in ỏp li AC220V/50Hz 1 MOC3021 180R 1.2K... s K p , TI , TD cho PID, song kh nng ng dng rng rói nht vn l: - Phng phỏp s dng mụ hỡnh xp x bc nht ca i tng - Phng phỏp thc nghim 3.1.2 Phng phỏp thc nghim Phng phỏp Ziegler-Nichols *S dng mụ hỡnh xp x bc nht cú tr ca i tng Phng phỏp xỏc nh tham s s dng mụ hỡnh xp x bc nht cú tr cho i tng õy cú tờn gi l phng phỏp th nht ca Ziegler Nichols Nú cú nhim v xỏc nh tham s K P , TI , TD cho b iu khin PID... = 684(s) -Giỏ tr gii hn K: 61,2-33,2 = 28 0C Theo phng phỏp ca Ziegler Nichols1 ta la chn cỏc tham s K P , TI , cho b iu khin PID theo bng sau: 29 ỏn tt nghip KP 0,181 0,163 0,217 P PI PID TI TD 450 270 62 Trong ti trờn chỳng em s dng b PI iu khin nhit cho lũ vi cỏc p i hng s K =0,163 v T = 450 * Phng phỏp 2 ca Ziegler- Nichols Nguyờn lý c trỡnh by nh sau: Thay b iu khin PID trong h kớn bng b khuch... L t T a) b) Hinh 3.2 c tớnh quỏ thc nghim ca i tng Trong ú, L- l thi gian chm tr ca u ra h(t), K- l giỏ tr gii hn h( ), Thng s thi gian ca i tng Phng phỏp Ziegler Nichols hng cho ta la chn cỏc tham s ngh s dng tham s K P , TI , TD cho b iu khin PID theo cỏc phng ỏn sau: Nu ch s dng b iu khin t l chn: K P = 0,9T/(KL) , TI = 10L/3 Nu ch s dng PI chn: Nu s dng PID chn: K P = T/(KL) K P = 1,2T/(KL)... sn phm Thụng thng thớ nghim m cỏc giỏ tr u vo thay i khỏc cú th s liu khụng cn thit cho mc ớch nhn dng mụ hỡnh mụ hỡnh i tng Quỏ trỡnh giỏm sỏt thớ nghim ny phi c gi vng trong sut quỏ trỡnh trờn c s s dng cỏc thit b o sn cú v cỏc ngun thụng tin khỏc c.Xỏc nh cu trỳc mụ hỡnh Hin nay cú nhiu phng phỏp tớnh toỏn tham s cho mụ hỡnh cú cu trỳc nh trc nhng li cú it phng phỏp xỏc nh cu trỳc ca mụ hỡnh (chng... trỳc mụ hỡnh ó c xỏc nh v cỏc s liu ó c thu thp xong Trong chng ny a ra hai phng phỏp ỏnh giỏ cỏc giỏ tr tham s ca mụ hỡnh sao cho mụ hỡnh th hin s phự hp vi cỏc s liu thc nghim phng phỏp th nht s dng k thut th, cũn phng phỏp th hai s dng nguyờn lý thng kờ C hai phng phỏp u cho phộp ỏnh giỏ cỏc tham s ca mụ hỡnh hm truyn chng hn nh h khuch i (t l), hng s thi gian v thi gian tr trong mụ hỡnh v lp k... hỡnh nhn dng c thụng qua trờn õy phn ỏnh mi liờn quan ng hc t kớch thớch u vo cho n ỏp ng u ra Mụ hỡnh nhn dng ny cha ng tt c cỏc thit b gi u vo v u ra, chng hn ngoi bn thõn i tng nú phn ỏnh c ng hc ca cỏc van v cm bin õy khụng phi l hn ch ca mụ hỡnh, m ngc li mụ hỡnh thc 17 ỏn tt nghip nghim th hin lng thụng tin phự hp cho iu khin m nú cha ng tt c cỏc thnh phn ca vũng iu khin Cui cựng cn phi cõn... trng hp Tớn hiu u(t) v y(t) l cỏc tớn hiu vo ra ca i tng Phng phỏp ỏnh giỏ th ỏp ng u ra ca i tng trong thc t gm cỏc bc sau: +Bc 1: cho i tng t ti trng thai xỏc lp +Bc 2: Bin u vo u(t)= u01(t) thay i bc thang +Bc 3: o v thu thp cỏc giỏ tr tớn hiu vo u(t) v ỏp ng u ra y(t) cho n khi i tng li t ti trangh thỏi xỏc lp mi +Bc 4: Tin hnh vi cỏc tớnh toỏn vi cỏc th nhn c trc khi i vo xem xột c th cỏc tớnh... ti y2 yi 0 t 1 i i a) t 2 i Td 20 b) ỏn tt nghip Hỡnh 2.2 Cỏch tớnh cỏc hng s thi gian cho i tng bc 2 T1 + T2 = Vi quan h: t1 1,2564 (2-3) Ta tỡm theo biu thc: t2 = 0,3574(T1 + T2) T th xỏc nh c y2 T2 Theo bng 2.2, ta tỡm 2 theo y 2 V sau ú ta cú c: T = 2 (2-4) 1 T cỏc quõn h (2-3) v (2-4) ta tớnh c T1 v T2 cho hm truyn ca i tng iu chnh biu thc (2-2) Bng 2.2 Bng quan h gia y2 v 2 y2 0,3005 0,29... theo lý thuyt, vỡ khi tớnh toỏn theo cỏc bc nờu trờn cú lỳc ta phi chn theo giỏ tr tng ng gn hn Phng 22 ỏn tt nghip phỏp ny thun tin cho vic xỏc nh hm truyn t ca cỏc bung sy, lũ nung Trờn c s lý thuyt trờn chỳng em ó tin hnh kho sỏt mụ hỡnh trờn thc nghim tỡm ra hm truyn cho h trờn qua cỏc bc: + Bc 1: Tin hnh o nhit trong lũ ti mi khong thi gian nht nh (thi gian ly mu l 1 phỳt) + Bc 2:V th kho sỏt . lò a. Nhiệt độ lò -Nhiệt độ lò là nhiệt độ đặc trưng mang tính quy ước .Nhiệt độ lò không phải là nhiệt độ của nguồn nhiệt ( ngọn lửa, khói lò, hoặc dây đốt ) -Nhiệt độ lò là nhiệt độ trung bình. công nghệ để lựa chọn chế độ nhiệt độ của lò. Sau khi xác lập được chế độ nhiệt độ của lò, người ta tiến hành tính toán việc cấp nhiệt cho lò để đảm bảo đúng chế độ nhiệt độ đã cho. 1.2 Lò điện . để phù hợp với sự thay đổi tham số của lò, nâng cao chất lượng hệ thống. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó chúng em chọn đề tài: Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở . Đề