THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG KỸ THUẬT SỐ CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 3 PHA CÔNG SUẤT LỚN

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ 1.1. Giới thiệu chung về lò điện trở 1.1.1. Khái niệm Lò điện trở là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường dùng để nung, sấy, nấu chảy kim loại, ... 1.1.2. 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 tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật JunLenxo: Q=I2RT QLượng nhiệt tính bằng Jun(J) I Dòng điện tính bằng Ampe(A) R Điện trở tính bằng Ôm(Ω) TThời gian tính băng 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 hoặc tròn). Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu làm dây nung, bộ phận làm phát nhiệt của lò.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SINH VIÊN THỰC HIỆN: Nguyễn Mạnh Hưng

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Đinh Văn Thắng

HÀ NỘI 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Nguyễn Mạnh Hưng

Ngành: Điện-Điện tử Hệ đào tạo: Chính qui

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG KỸ

THUẬT SỐ CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 3 PHA CÔNG SUẤT LỚN

Giảng viên hướng dẫn: Đinh Văn Thắng

Chủ nhiệm Bộ môn:

Lời Nói Đầu

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày ,năng lượng nhiệt đóngmột vai trò rất quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng để nung nóng,sấy

… Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và có hiệu quả làrất cần thiết Lò điện trở được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứngđược nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra Ở lò điện điện trở,yêu cầu kĩ thuật quan trọngnhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò Đây cũng chính là yêucầu của đồ án tốt nghiệp mà em đã được giao

Đồ án này đã được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫnĐINH VĂN THẮNG

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ

1.1.Giới thiệu chung về lò điện trở

1.1.1 Khái niệm

Lò điện trở là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng thông quadây đốt (dây điện trở) Từ dây đốt qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫnnhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt Lò điện trở thường dùng

để nung, sấy, nấu chảy kim loại,

1.1.2 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 dâydẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxo:

Q=I2RTQ-Lượng nhiệt tính bằng Jun(J)

I -Dòng điện tính bằng Ampe(A)

R -Điện trở tính bằng Ôm(Ω)

T-Thời gian tính băng giây(s)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:Vật nung(Trườnghợp này gọi là nung trực tiếp), Dây nung; khi dây nung được nung nóng nó sẽtruyền 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 hìnhdạng đơn giản (tiết diện chữ nhật, vuông hoặc tròn)

-Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp

Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu làm dâynung, bộ phận làm phát nhiệt của lò

1.1.3 Những vật liệu dùng làm dây nung

a) Yêu cầu của vật làm dây nung:

Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệtnăng thông qua hiệu ứng Joule Dây đốt cần phải làm từ vật liệu thỏa mãn cácyêu cầu sau:

- Chịu được nhiệt độ cao

- Hợp kim: Cr - Ni, Cr - Al… với lò có nhiệt độ làm việc dưới 12000C

- Hợp chất: SiC, MoSi2 … với lò có nhiệt độ làm việc 12000C ÷ 16000C

- Đơn chất: Mo, W, C (graphit)…với lò điện trở làm việc cao hơn 16000C

Do đó căn cứ vào khoảng nhiệt độ làm việc để chọn vật liệu làm dây đốt

liệu làm dây đốt là hợp kim Cr - Ni có thành phần hóa học là 20 – 23%Cr, 75– 78%Ni, còn lại là Fe và các chất khác

1.1.4 Cấu tạo lò điện trở

Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính :- Vỏ lò

- Lớp lót

- Dây nung

a) Vỏ lò

Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quátrình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời vàđảm 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 điện trở 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 điện trở 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 hình chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung…

- Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp…

- Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùngmột lượng kim loại để chế tạo vỏ lò Khi kết cấu vỏ lò tròn, người tathường dùng thép tấm dày:

Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán

b) Lớp lót

Lớp lót lò điện trở 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 gạchhình đặc biệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò Cũng cókhi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là cáckhối đầm Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ởngoài 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 trongđiều kiện làm việc

+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn

+ Có đủ độ bền hóa 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 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 vật lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định

Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bộtcách nhiệt.

c) Dây nung

Theo các đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung

ra 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

1.1.5 Phân loại lò điện trở

Phân loại lò điện trở có nhiều cách:

 Theo nhiệt độ làm việc của lò:

b) Hiệu quả về kĩ thuật

Hiệu quả về kĩ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khicác thông số nó xác định( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng 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 cơ bảncủa hiệu quả kĩ thuật Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chitiết, 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

c) Chắc chán khi làm việc

Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất củachất lượng kết cấu của các là điện Thường các lò điện làm việc liên tục trongmột ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày Nếu trong khi làm việc một bộphận nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chung Điềunày đặc biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chuyềnsản xuất tự động Ngay đối với các lò điện làm việc chu kì, lò ngừng cũng làmthiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá hủy chế độ

làm việc bình thường của lò) có thể dẫn đến các hư hỏng sản phẩm, lãng phínguyên vật liệu và tăng giá thành sản phẩm.

Một trong những chỉ tiêu về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đócủa lò điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làmviệc bình thường 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 : dâynung, băng tải v.v…

d) Tiện lợi khi sử dụng

Tiện lợi khi sử dụng 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 quý bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu

- Bảo quản dễ dàng Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phận của thiết bịthuận lợi

- Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh

và tuyệt đối an toàn

e) Rẻ và đơn giản khi chế tạo

Về mặt này như sau:

- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý và hiếm (các kimloại màu, các hợp kim có hàm lượng niken cao…)

- Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao chongày công ít nhất và tận dụng các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵntrong các nhà máy chế tạo gia công

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

- Sử dụng 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.f) Hình dáng 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 bền của kết cấu khi trọng lượng nhỏ vàhình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau

Việc gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hìnhdáng bề ngoài của lò điện Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ

2.1 Xây dựng sơ đồ khối chức năng của mạch

Ta có sơ đồ khối chức năng:

công suất (khối đóng ngắt)

Tải

Trong sơ đồ khối chức năng của mạch điện của lò điện trở gồm có các khâuchính sau:

Lò điện trở và vật cần nung là đối tượng điều khiển của hệ thống với đại lượng

cần điều chỉnh là nhiệt độ vật cần nung Việc điều chỉnh nhiệt độ của vật cần nungcũng chính là điều chỉnh nhiệt độ trong buồng lò hay điều chỉnh công suất đặt vàolò

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

Như vậy, để thay đổi công suất ra tải ta có 2 cách:

- Điều chỉnh về phía tiêu thụ tức là thay đổi điện trở Rt của lò Phươngpháp này ít được sử dụng do tính không liên tục và hạn chế về phạm viđiều khiển

- Điều chỉnh về phía cung cấp tức là thay đổi điện áp Uf thể thay đổi hoặc Trong thực tế, người ta chọn cách phương pháp naỳ để có thểthay đổi công suất ra tải.

+Khi có sẵn một nguồn xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải người ta cóthể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) dùng van bán dẫn Việc điềuchỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức làthay đổi điểm mở van so với điểm qua không điện áp nguồn, vì vậy gọi là phươngpháp điều khiển pha ( thay đổi góc mở van)

+ Theo đề bài ,” thiết kế bộ điều khiển và khống chế nhiệt đọ sử dụng kỹ thuật

số cho lò điện trở 3 pha công suất lớn” , ta giả định công suất định mức của lò

điện trở là 100 KW nên ta sẽ sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha đểthiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho hệ thống điều chỉnh và tự động khốngchế nhiệt độ lò điện trở

+Do điot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra tải làxoay chiều nên trong mạch điện áp xoay chiều người ta không dùng điot mà dùngtriac 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 thyristor nên thực tế người ta thườngdùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới:

Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo một chiều xác định nên dòng đi quacặp thyristor đấu song song ngược này là dòng xoay chiều Các van thyristor đượccấp xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van làhoàn toàn đối xứng

THY1

THY2

L R

Một ưu điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngược nhau thay thếcho triac trong mạch điện áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở bà khóathyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac.

1, Sơ đồ điều áp xoay chiều 3 pha bằngThiristor

Dưới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhấtứng với các phương pháp lựa chọn khi thiết kế mạch lực và mạch điều khiển

a Sơ đồ đấu sao dùng Thiristor có dây trung tính

Nhược điểm:

- Các van đấu ở điện trung tính có tồn tại dòng điện điều hòa bậc cao

- khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn

⇒ Kết luận: Trong thực tế loại sơ đồ này sử dụng rất ít và loại sơ đồ nối này chỉthích hợp các loại tải 3 pha có 4 đầu dây ra

b Sơ đồ đấu sao dùng Thiristor không có dây trung tính

Nhược điểm:

- Việc tính toán các van sẽ phức tạp hơn

- Dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin, nhưng với tải điện trởthuần của lò điện trở thì việc điện áp ra tải không sin cũng không ảnhhưởng đến chế độ làm việc của lò

⇒ Kết luận: Trong thực tế loại sơ đồ này sử dụng rất phổ biến.

c Sơ đồ đấu tam giác dùng Thiristor

Ưu điểm:

- Số lượng van bán dẫn tại các chế độ khác sẽ giảm

- Làm đơn giản hoá tín hiệu điều khiển Không cần thiết bị xung điềukhiển rộng hoặc xung khẳng định để đảm bảo sơ đồ hoạt động Chỉcần 1 xung là đủ

- Đơn giản về cách ghép và điều khiển đối xứng

Nhược điểm:

- Tuy nhiên nếu các Thiristor đấu tam giác sẽ có điện áp ngược cực đạiphải chịu từ 1.5 Vm √3 Vm

2, Lựa chọn bộ điều áp xoay chiều

Từ việc phân tích các ưu - nhược điểm của từng phương án trên ta đi đến kết luậnlựa chọn phương án để thiết kế mạch lực và mạch điều khiển của bộ điều chỉnh và

khống chế lò điện trở là : “Bộ điều chỉnh điện áp ba pha sáu thyristor đấu song

song ngược tải thuần trở không dây trung tính.”

3, Bộ điều chỉnh điện áp ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải

thuần trở không dây trung tính

Sơ đồ nối sao không có dây trung tính

 Nguyên lý hoạt động:

Khi bộ biến đối xung áp ba pha được đấu sao không có dây trung tính, quá trìnhđiện từ hoàn toàn khác với sơ đồ trên hình vì quá trình dẫn dòng trong một phaphải tương thích với quá trình dẫn dòng trong các pha khác

Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trungtính là sự hoạt động tổng hợp của các pha Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp 3pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc α

Khi đóng hoặc mở 1 thyristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của haipha còn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp chảy qua ba pha hoặc chỉ qua haipha Không có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng.

Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha của nó(U ZA= ¿ U a ,U ZB =U b, U ZC =U c)

Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên pha tương ứng bằng ½ điện áp trên dâycủa hai pha mà có hai thyristor dẫn điện ( ví dụ: U ZA= ¿ U AB

2 trong khoảng T1 ÷ T2

và U ZC= ¿ U AC

2 trong khoảng T4 ÷ T5)Sau đây ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trường hợp sau với tải R Tuỳthuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn cũngthay đổi theo Ta thấy có 3 khoảng điều khiển chính:

Trong phạm vi góc α này sẽ có các giai đoạn 3 van và 2 van dẫn xen kẽ nhau Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:

α=30°

θ θ 2 θ 3 θ 4 θ 5 θ 6 θ 7

Đồ thị điện áp pha Ua với α = , góc dẫn van λ=(180 °−α)

Dựa vào sơ đồ ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa tải P và góc điềukhiển α

Công suất tải:

P1 = 3U đm2

πR [π

6− α4+ sin 2α8 ] (1)

 Khoảng dẫn van ứng với 60 °≤ α ≤ 90°:

Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn

Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:

Đồ thị điện áp pha Ua với α = , góc dẫn van λ=120 °

Dựa vào sơ đồ ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa tải P và góc điềukhiển α

Công suất tải:

α=75°

θ 1 θ 2 θ 3 θ 4 θ 5 θ 6

θ 7

P2 = 3U đm2

πR [ π

12− 3.sin 2α16 +√3cos2α

16 ] (2)

 Khoảng dẫn van ứng với =

Trong trường hợp này chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không van nào dẫn cả

Đồ thị điện áp pha Ua với = , van dẫn hai đoạn bằng (150 ° - α ), xen giữa là

đoạn nghỉ không có van nào dẫn ( α - 90 ° )

Công suất tải: P3 = 3U đm2

πR [5 π

24− α4+ sin 2α16 +√3cos2α

16 ] (3)Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và các giá trị α khác nhau và lấy P ở α = 0 là 100%

ta có bảng các giá trị và đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất tải và góc α