THIẾT KẾ LÒ ĐIỆN TỬ, NHIỆT ĐỘ LÒ 400-600 ĐỘ, CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC 40KW, TỔN HAO NHIỆT 10KW, ĐIỆN ÁP NGUỒN LƯỚI 3.380V
Thiết kế đồ án môn học đề tài Thiết kế lò điện trở 1. Đầu đề thiết kế : Thiết kế lò điện trở 2. Ngời thực hiện : Họ và tên Nguyễn Văn Khánh Lớp Tự Động Hoá 1 Khoá 47 Giáo viên hớng dẫn Phạm Quốc Hải Năm thực hiện : 2006 1 Thiết kế đồ án môn học đề tài Thiết kế lò điện trở 1. Các số liệu cho trớc : Nhiệt độ lò 400 - 600 ( 0 C) Công suất định mức 40 ( kW ) Tổn hao nhiệt 10 ( kW ) Điện áp nguồn lới 3*380 ( V ) 2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán : Chơng 1 Giới thiệu chung về lò điện trở Chơng 2 Giới thiệu về mạch điều áp xoay chiều ba pha Chơng 3 Thiết kế và tính toán mạch lực Chơng 4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển Kết luận 3. Các bản vẽ : Bản vẽ tổng thể toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch điều khiển ) trên giấy vẽ kỹ thuật khổ A2. 2 Mục lục Lời mở đầu 1 Chơng 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện 2 1. Giới thiệu chung về lò điện 2. Giới thiệu chung về lò điện trở 3. Cấu tạo lò điện trở Chơng 2: Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha 1. Mạch điều áp xoay chiều 2. Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải Chơng 3: Thiết kế và tính toán mạch lực 1. Tính toán chọn van bán dẫn 2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn Chơng 4: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 1. Nguyên lý chung của mạch điều khiển 2. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 2-1. Khâu đồng pha 2-2. Khâu tạo điện áp răng ca (U tựa ) 2-3. Khâu so sánh 2-4. Khâu phát xung chùm 2-5. Chọn cổng AND 2-6. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung 2-7. Khâu phản hồi 2-8. Khối nguồn Kết luận Tài liệu tham khảo 3 Lời nói đầu Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lợng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng. Năng lợng nhiệt có thể đợc dùng để nung nóng, sấy khô Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lợng này một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện trở đợc ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng đợc nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. ở lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế đợc khiệt độ của lò. Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án môn học điện tử công suất mà em đã đợc giao. Đồ án đã đợc thực hiện dới sự hớng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Quốc Hải. Đồ án đợc chia thành ba phần chính sau: 1. Giới thiệu sơ lợc về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò điện và lò điện trở. 2. Thiết kế và tính toán mạch lực. 3. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển. 4 Chơng 1- tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện I-Giới thiệu chung về lò điện 1 - Định nghĩa Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau nh nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v - Lò điện đợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật : + Sản xuất thép chất lợng cao + Sản xuất các hợp kim phe-rô + Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện + Nung các vật phẩm trớc 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 đợc dùng để sất, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm + Trong các lĩnh vực khác, lò điện đợc dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng đợc dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngời một cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nớc điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v 2 - Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những u điểm sau : - Có khả năng tạo đợc 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 chuyễn vật phẩm - Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ 5 3 - Nhợc điểm của lò điện - Năng lợng điện đắt - Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng II-Giới thiệu chung về lò điện trở 1 - 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 dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lợng nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ : Q=I 2 RT Q - Lợng 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 : Trờng hợp này gọi là nung trực tiếp - Dây nung : Khi dây nung đợc nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trờng hợp này gọi là nung gián tiếp. Trờng 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 ) Trờng hợp thứ hai thờng gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liều để làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò. 2 - Những vật liệu dùng làm dây nung a) - 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 thớc phải không thay đổi khi sử dụng + Dễ gia công, dễ hàn hoăc dễ ép khuôn b)- Dây nung kim loại 6 Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều đợc 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 đợc dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thờng có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung nh : + Điện trở suất nhỏ + Hệ số nhiệt điện trở lớn + Bị ôxy hoá mạnh trong môi trờng khí quyễn bình thờng Dây nung kim loại thờng đợc chế tạo ở dạng tròn và dạng băng c) - Dây nung phi kim loại Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than. III-Cấu tạo lò điện trở I- Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện 1 - 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 nh không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành một cách rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo đợc các điều kiện nh thế mới coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầy về lò điện vợt xa khả năng sản xuất ra nó. 2 - Hiệu quả về kỹ thuật Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiêu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó xác định ( kích thớc ngoài, công suất, trọng lợng giá thànhv.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 cở bản của hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật đợc đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men xoắn, lực v.v ứng với trọng lợng, kích thớc hoặc giá thành kết cấu. 3 - Chắc chắn khi làm việc Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lợng kết cấu của các lò điện. Thờng các lò điện làm viêc 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 hởng đến quá trình sản suất chung. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chuyền 7 sản xuất tự động. Ngay đối với các lò điện 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 thờng vủa lò ) có thể dẫn đến làm h 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 điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thờng. Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò. Thí dụ : dây nung, băng tải v.v 4 - 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 lợng 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. 5 - Rẻ và đơn giản khi chế tạo Về mặt này yêu câu nh sau : - Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm ( các kim loại mầu, các hợp kim có hàm lợng niken cao v.v ) - Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày công ít nhất và tận dụng đọc các thiết bị, dụng cụ thông thờng có sẵn trong các nhà máy chế tạo để gia công. - 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 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. 6 - Hình dáng bề ngoài đẹp Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng và tỷ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi. Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền 8 của kết cấu khi trọng lợng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau. Việc gia công lần chót nh sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng bề ngoài của lò điện. Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết. II - Cấu tạo lò điện trở Lò điện trở thông thờng gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung. 1 - Vỏ lò Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị 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 tơng đối của lò. Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở bình thờng, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổng thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò. Trong những trờng hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chị đợc tải trọng của lớp lót, phụ tải lò ( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. - Vỏ lò chữ nhật thờnng 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 lợng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, ngời ta thờng dùng thép tấm dày 3 - 6 mm khi đờng kính vỏ lò là 1000 2000 mm và 8 12 mm khi đ- ờng kính vỏ lò là 2500 4000 mm và 14 20 mm khi đờng kính vỏ lò khoảng 4500 6500 mm. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, ngời ta dùng các vòng đệm tăng cờng bằng các loại thép hình. Vỏ lò chữ ngật đợc dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể đợc bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò. Phơng pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán. 2 - Lớp lót Lớp lót lò điện trở thờng 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 thớc đã cho của buồng lò. Cũng có khi ngời ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các 9 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 đợc 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 đợc tác dụng của khí quyển lò và ảnh hởng 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 thờng nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục 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 + 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 bằng bột cách nhiệt. 3 - Dây nung Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, ngời ta chia dây nung làm hai loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại. 10 [...]... 24 4 16 16 Công suất định mức của lò điện là Pdm = 40 (kw) Tổn hao của lò điện P = 3 (kw) Trong thực tế, lò điện có thể coi là hộ tiêu dùng điện loại một, nghĩa là nguồn cung cấp cho lò điện là ổn định Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả cũng nh sự an toàn trong hoạt động của lò điện, ta sẽ chọn một lợng công suất dự trữ cho lò điện đề phòng trờng hợp điện áp nguồn vì một lý do nào đó bị sụt áp Ngoài ra,... hoạt độngcua mình, lò điện cũng chịu thêm một số 18 tổn thất khác nh tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đờng dây nhng do không đáng kể so với tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể bỏ qua Khi = 0 thì điện áp ra tải là hình sin hoàn toàn và đồng thời công suất ra tải cũng đạt công suất lớn nhất P = Pmax vì vậy để đảm bảo đủ bù các tổn hao đã nói ở trên ta chọn công suất lớn nhất của lò. .. lý hoạt động của sơ đồ Cấp nguồn 220V cho cuộn sơ cấp máy biến áp đồng pha Điện áp phần thứ cấp là điện áp đồng pha Ta chỉ lấy điện áp U21, U22 để dẫn giải : U21 đợc so sánh mức điện áp 0V, qua D1 chỉ lấy xung vuông U1 U22 đợc so sánh ở mức điện áp 0V, qua D1 chỉ lấy xung vuông U2 U1 và U2 đợc đa qua bộ tạo điện áp răng ca ( gồm R3, R4,R5, R6, D1, D2, D3, A3, T1,T2 ), đầu ra sẽ nhận đợc điện áp răng... chỉ lấy xung chữ nhật dơng U4 Uđk có thể thay đổi, khi nhiệt độ tăng | Uđk | giảm, góc phát xung lớn lên làm điện áp đầu ra của thyristor giảm và ngợc lại, khi nhiệt độ giảm | U đk | góc phát xung giảm đi làm điện áp đầu ra của thyristor tăng ( Khâu phản hồi điện áp là phản hồi âm để ổn định ở một điện áp nhất định, tơng ứng với một nhiệt độ nhất định ) Xung U4 và xung chùm Ux đợc đa qua con AND Đầu... 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 Nh vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận đợc một dải n sóng hài hình sin Mặc dù vậy, với tải là điện trở thuần của lò điện trở thì việc dạng điện áp ra tải không sin cũng không ảnh hởng đến chế độ làm việc của lò Các mạch điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng nh biến áp hoặc động... : công suất đa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển = 0 nhng với =30 thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi = 0 Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngợc tải thuần trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng nh 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. .. 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 Chơng 3 Thiết kế tính toán mạch lực 17 I - Tính chọn van bán dẫn Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện dới đây ta sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngợc, tải thuần trở đấu sao Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển... vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên ngời ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor nh hình dới: Thông số của R, C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đờng dây, dòng điện từ hoá máy biến áp Việc tính toán thông số của mạch R, C rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian nên ta sẽ sử dụng phơng pháp xác định thông... về mạch điều áp xoay chiều ba pha I - Mạch điều áp xoay chiều ba pha : Nh đã nói ở trên, công suất ra tải của lò đợc tính theo công thức: U f2 P = 3 Rt Nh vậy, để thay đổi công suất đa ra tải , ta có thể thay đổi Rt hoặc U f Tuy nhiên, trong thực tế, ngời ta thờng chọn cách thay đổi U f để có thể 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... nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó điện áp đa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn Không thể có trờng 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 đợc 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 đợc các đại lợng cần tính nh điện áp, dòng điện, công . 2006 1 Thiết kế đồ án môn học đề tài Thiết kế lò điện trở 1. Các số liệu cho trớc : Nhiệt độ lò 400 - 600 ( 0 C) Công suất định mức 40 ( kW ) Tổn hao nhiệt 10 ( kW ) Điện áp nguồn lới 3* 380 (. ]2sin 16 1 2cos 16 3 424 5 [ R U3 2 dm ++ Công suất định mức của lò điện là dm P = 40 (kw) Tổn hao của lò điện P = 3 (kw) Trong thực tế, lò điện có thể coi là hộ tiêu dùng điện loại một, nghĩa là nguồn. đợc biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển : R.I.3P 2 = = )d 3 sin d 4 sin d 3 sin d 4 sin d 3 sin ( R U3 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2 3 2 3/ 3 3 22 2 dm + + + + + + + +