Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch điện điều khiển lưu lượng hơi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ÐIỆN ÐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG HƠI S K C 0 9 MÃ SỐ: T2014-71 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG HƠI Mã số: T2014-71 Chủ nhiệm đề tài: KS Đoàn Minh Hùng TP HCM, 11/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG HƠI Mã số: T2014-71 Chủ nhiệm đề tài: KS Đoàn Minh Hùng TP HCM, 11/2014 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu: Tính cấp thiết Mục tiêu Cách tiếp cận Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu thiết bị hệ thống thí nghiệm dòng pha kênh micro 1.1.1 Mini Boiler 1.1.2 Bơm micro 1.1.3 Cân điện tử xác (Model: TE214S) 1.1.4 Bộ thu nhận phần mềm lưu liệu nhiệt độ áp suất (MX 100) 1.1.5 Cảm biến chênh áp 1.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống thí nghiệm 1.3 Các yêu cầu hệ thống điều khiển Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Các khí cụ điện 10 2.1.1 Crircuit Breaker 10 2.1.2 Cầu chì 12 2.1.3 Contactor Rơle trung gian 15 2.2 Các thiết bị bảo vệ 18 2.2.1 Rơ le áp suất 18 2.2.2 Thermostat 19 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 21 3.1 Thiết kế mạch điều khiển 21 3.2 Chế tạo tủ điện điều khiển 23 3.3 Kết vận hành hệ thống thí nghiệm 26 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 29 4.1 Kết luận 29 4.2 Kiến nghị 29 Tài liệu tham khảo 30 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Tp HCM, ngày tháng THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch điện điều khiển lưu lượng - Mã số: T2014-71 - Chủ nhiệm: Đoàn Minh Hùng - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: từ 1/2014 đến 11/2014 Mục tiêu: - Thiết kế mạch điển điều khiển cho Mini Boiler - Chế tạo thử nghiệm mạch điều khiển Mini Boiler vận hành áp suất thấp Tính sáng tạo: Kết nghiên cứu: Mạch điện vận hành ổn định đạt yêu cầu theo chế độ vận hành Mini boiler Sản phẩm: Mạch điện điều khiển Mini boiler Xưởng Nhiệt- Điện lạnh Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Trưởng Đơn vị (ký, họ tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) năm MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu: Đặc tính kỹ thuật Mini Boiler + Model: EMB-S-9 + Công suất điện trở: kW + Nhiệt độ: 90oF  160oF + Điện áp: 240V + Dòng ngắt: 60A + Kích thước: 10 1/2" W x 5/8" D x 25" H + Xuất xứ: USA Hình 1: Mini Boilor (Model: EMB-S-9) Mini Boiler thiết bị đun nước trang bị cho Phịng thí nghiệm Truyền nhiệt Micro Xưởng Nhiệt Tuỳ theo nhu cầu phục vụ thí nghiệm khác nhau, mà hệ thống điều khiển trang bị cho phù hợp với làm việc hệ thống thí nghiệm 1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi Hình 2: Hệ thống thí nghiệm với Mini Boiler (Model: EMB-S-9) Nguồn: http://www.radiantcompany.com/heatsources/etc/ Mini Boiler thiết bị đun nước điện sử dụng nhiều phịng thí nghiệm, dùng để cấp nước nóng, nước cho nhu cầu thí nghiệm khác tùy vào hệ thống thí nghiệm thiết kế mà mạch điện điều khiển không giống Hay nói cách khác phần điều khiển thành phần riêng biệt tùy theo mục đích sử dụng mà chế tạo riêng cho phù hợp Do đó, hệ thống điều khiển trang bị sẵn có cho Mini Boiler khơng phù hợp cho hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt kênh micro Phịng thí nghiệm Truyền nhiệt Xưởng Nhiệt – Điện lạnh 1.2 Tình hình nghiên cứu nước Hiện tại, nước có nhiều cơng trình nghiên cứu liên quan đến việc thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cho hệ thống nhiệt Tuy nhiên hệ thống có nhu cầu điều khiển khác nhau, nguyên lý làm việc khác Tính cấp thiết Hiện Mini Boiler xưởng nhiệt chưa có hệ thống điều khiển phù hợp bên ngồi thị trường khơng có hệ thống Nếu thuê chuyên gia thực giá thành cao Do đó, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cho Mini boiler làm việc theo yêu cầu riêng nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu khoa học giảng dạy cần nhiết giai đoạn Mục tiêu - Thiết kế mạch điển điều khiển cho Mini Boiler - Chế tạo thử nghiệm mạch điều khiển Mini Boiler vận hành áp suất thấp Cách tiếp cận Từ yêu cầu cần thiết hệ thống thí nghiệm sẵn có, tác giả tổng hợp cơng trình, tài liệu liên quan để đưa giải pháp giải vấn đề Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống điều khiển hệ thống thí nghiệm liên quan, từ xây dựng hệ thống thí nghiệm phù hợp kết hợp với đặc tính làm việc khí cụ điện nguyên lý làm việc hệ thống để thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cho mini boiler Đối tượng phạm vi nghiên cứu 6.1 Đối tượng nghiên cứu - Hệ thống điều khiển Mini Boiler 6.2 Phạm vi nghiên cứu - Mạch điều khiển cho Mini Boiler phục vụ thí nghiệm xưởng Nhiệt – Điện lạnh, Khoa CKĐ, Trường ĐHSPKT Tp.HCM Nội dung nghiên cứu Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu thiết bị hệ thống thí nghiệm dịng pha kênh micro 1.1.1 Mini Boiler Đặc tính kỹ thuật Mini Boiler + Model: EMB-S-9 + Công suất điện trở: kW + Nhiệt độ: 90oF  160oF + Điện áp: 240V + Dịng ngắt: 60A + Kích thước: 10 1/2" W x 5/8" D x 25" H + Xuất xứ: USA Hình 1.1: Mini Boiler Nguyên lý làm việc: - Nước lạnh bơm vào từ phía vào bình chứa bên có bộc cách nhiệt bên ngồi Nước đun sôi cặp điện trở bên bình - Hơi nhờ ống phía trên, bên có bố trí cảm biến đo nhiệt độ nước ra, phía có bố trí van an toàn bảo vệ áp suất cao 1.1.2 Bơm mciro Bơm Micro HPLC Pump + Model: PU-2087 + Lưu lượng: từ đến 50 ml/phút + Sai số: ±2% + Cột áp: 15 Mpa + Xuất xứ: Nhật Hình 1.2: Bơm micro 1.1.3 Cân điện tử xác (Model: TE214S) Hình 1.3: Cân điện tử (Model: TE214S) Dùng để đo xác lưu lượng khối lượng lưu chất Thông số kỹ thuật: - Trọng lượng đối đa: 201g - Độ phân giải: 0.000g - Thời gian ghi nhận liệu: 03 giây 1.1.4 Bộ thu nhận phần mềm lưu liệu nhiệt độ áp suất (MX 100) - Số kênh: 20 - Tốc độ ghi nhận dư liệu: 100 mili giây - Tính hiệu ghi nhận: nhiệt độ áp suất mức phải lấy thấp 10% làm làm mát, dòng điện cho phép qua Contactor phải lấy thấp chế độ làm việc dài hạn Khả cắt khả đóng - Khả cắt Contactor điện xoay chiều đạt bội số đến 10 lần dòng điện định mức với phụ tải điện cản - Khả đóng: contactor điện xoay chiều dùng để khởi động động điện cần phải coó khả đóng từ đến lần Iđm Tuổi thọ Contactor - Tuổi thọ contactor tính s]ố lần đóng mở, sau số lần đóng mở Contactor bị hỏng khơng dùng Tần số thao tác - Là số lần đóng cắt contactor giờ: Có cấp 30, 100, 120, 150, 300, 600, 1200, 1500 lần/giờ Tính ổn định lực điện động - Tiếp điểm Contactor cho phép dòng điện lớn qua (khoảng 10 lần dòng điện định ức) mà lực điện động khơng làm tách rời tiếp điểm Contactor có tính ổn định lực điện động Tính ổn định nhiệt - Contactor có tính ổn định nhiệt nghĩa có dịng điện ngắn mạch chạy qua khoảng thời gian cho phép, tiếp điểm khơng bị nóng chảy hàn dính lại  Các ký hiệu sử dụng: Các ký hiệu dùng để biểu diễn cho cuộn dây (nam châm điện) Contactor loai tiếp điểm Có nhiều tiêu chuẩn quốc gia khác nhau, dùng để biểu diễn cho cuộn dây tiếp điểm contactor 17 Hình 2.7: Các ký hiệu cuộn dây tiếp điểm Contactor b Rơ le trung gian Rơle trung gian khí cụ điện dùng lĩnh vực điều khiển tự động cấu kiểu điện từ Rơ le trung gian đóng vai trị điều khiển trung gian thiết bị điều khiển (Contactor, Rơle thời gian,…) Rơle trung gian gồm: Mạch từ nam châm điện, hệ thống tiếp điểm chịu dòng điện nhỏ (5A), vỏ bảo vệ chân tiếp điểm Nguyên lý làm việc: Tương tự nguyên lý hoạt động contactor Khi cấp điện áp giá trị điện áp định mức vào đầu cuộn dây rơle trung gian (ghi nhẵn), lực điện từ hút mạch từ kín lại, hệ thống tiếp điểm chuyển đổi trạng thái trì trạng thái (tiếp điểm thường đóng mở ra, tiếp điểm thường hở đóng lại) Khi ngưng cấp nguồn, mạch từ hở, hệ thống tiếp điểm trở trạng thái ban đầu Điểm khác biệt Contactor Rơle tóm lược sau: - Trong Rơle có loại tiếp điểm có khả tải dịng điện nhỏ, sử dụng cho mạch điều khiển - Trong rơle có loại tiếp điểm thường đóng tiếp điểm thường hở, nhiên tiếp điểm khơng có buồng dập hồ quang (khác với hệ thống tiếp điểm contactor hay CB) 2.2 Các thiết bị bảo vệ 2.2.1 Rơ le áp suất 18 Hình 2.8: Rơ le áp suất thấp Rơ le áp suất thấp LP sử dụng để tự động đóng mở máy nén, hệ thống lạnh chạy tự động - Khi nhiệt độ buồng lạnh đạt yêu cầu, van điện từ ngừng cấp dịch cho dàn lạnh, máy thực rút gas bình chứa áp suất phía đầu hút giảm xuống giá trị đặt, rơ le áp suất tác động dừng máy - Khi nhiệt độ phòng lạnh lên cao van điện từ mở, dịch vào dàn lạnh áp suất hút lên cao vượt giá trị đặt, rơ le áp suất thấp tự động đóng mạch cho động hoạt động 2.2.2 Thermostat Hình 2.9: Thermostat 19 Thermostat thiết bị điều khiển dùng để trì nhiệt độ phịng/khơng gian theo u cầu Cấu tạo gồm có cơng tắc đổi hướng đơn cực (12) trì mạch điện giữ tiếp điểm nhiệt độ bầu cảm biến tăng lên, nghĩa nhiệt độ phòng tăng Khi quay trục (1) theo chiều kim đồng hồ tăng nhiệt độ đóng ngắt Thermostat Khi quay trục vi sai (2) theo chiều kim giảm vi sai nhiệt độ đóng ngắt thiết bị 20 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế mạch điều khiển Mạch điện điều khiển Lò Hình 3.1: Mạch điện điều khiển Chú thích: X : Rờ le trung gian C1, C2, C3: Contacto điều khiển điện trở đun nước, bơm thứ bơm thứ hai L1: đèn báo nguồn CB L2: đèn báo có nguồn qua tồn mạch điện L3, L4, L5: đèn báo có nguồn qua Contactor C1, C2, C3 21 L6, L7: đèn báo cố dòng qua bơm (1), (2), (3): Contac xoay Nguyên lý làm việc: Bật CB sang ON tiếp điểm X1.2 thường đóng đóng đèn L1 sáng, báo CB có nguồn điện Nhấn nút Start cung cấp điện cho Rờle trung gian X, tiếp điểm X1.1 tiếp điểm X1.3 thường mở đóng lại, đèn L2 sáng báo có nguồn qua tồn mạch Vặn cơng tác xoay thứ (1) sang chế độ ON cung cấp điện cho Contactor C1,tiếp điểm C1.1 thường mở đóng lại đèn L3 sáng báo có nguồn điện qua Contactor C1 đồng nghĩa với điện trở đun nước hoạt động Vặn công tác xoay thứ (2) sang chế độ ON cung cấp điện cho Contactor C2,tiếp điểm C2.1 thường mở đóng lại đèn L4 sáng báo có nguồn điện qua Contactor C2 đồng nghĩa với bơm thứ hoạt động Vặn công tác xoay thứ (3) sang chế độ ON cung cấp điện cho Contactor C3,tiếp điểm C3.1 thường mở đóng lại đèn L4 sáng báo có nguồn điện qua Contactor C3 đồng nghĩa với bơm thứ hai hoạt động Nếu trường hợp có có q dịng xảy bơm thứ tiếp điểm rờ le nhiệt thường mở đóng lại đèn L4 sáng lên báo cố q dịng tiếp điểm thường đóng rờ le nhiệt mở đồng nghĩa với việc bơm thứ ngừng hoạt động Nếu trường hợp có có q dịng xảy bơm thứ hai tiếp điểm rờ le nhiệt thường mở đóng lại đèn L5 sáng lên báo cố q dịng tiếp điểm thường đóng rờ le nhiệt mở đồng nghĩa với việc bơm thứ hai ngừng hoạt động 22 3.2 Chế tạo tủ điện điều khiển Tủ điện chế tạo hoạt động yêu cầu đặt sau số hình ảnh suốt trình chế tạo tủ điện: Hình 3.2: Kiểm tra cấp nguồn lại cho Minni Boiler Hình 3.3: Đánh dấu vị trí cần thiết thiết bị 23 Hình 3.4: Khoan lỗ vị trí đánh dấu Hình 3.5: Lắp thiết bị đấu dây điện vào hộp điện 24 Hình 3.6: Tủ điện điều khiển hệ thống thí nghiệm Sau tủ điện chế tạo hoàn thiện, tác giả cho vận hành thử nghiệm suốt thời gian dài tiến hành thực nghiên cứu liên quan Hình 3.7: Hệ thống thí nghiệm hồn thiện đưa vào vận hành thử nghiệm 25 3.3 Kết vận hành hệ thống thí nghiệm Để đảm bảo tính an tồn vận hành cho tồn hệ thống thí nghiệm thực nhiệm vụ nghiên cứu khoa học sau này, tác giả tiến hành vận hành thử nghiệm chế độ làm việc khác thực bước ghi nhận xử lý số liệu thử nghiệm nhằm kiểm tra độ tin cậy hệ thống điều khiển lưu trữ liệu Hình 3.8: Vận hành thử nghiệm hệ thống thí nghiệm Bảng 1: Một kết thực nghiệm thu từ MX100 Channel Start Data No End Data No Min Max P-P Mean RMS CH00001[C] 661 100.7 101.3 0.6 101.0 101.0 CH00002[C] 661 72.3 74.0 1.7 73.2 73.2 CH00003[C] 661 53.3 54.1 0.8 53.7 53.7 CH00004[C] 661 32.7 33.7 1.0 33.1 33.1 CH00005[C] 661 34.8 37.8 3.0 36.7 36.7 CH00006[C] 661 33.2 35.1 1.9 34.3 34.3 CH99001[Pa] 661 311084 332733 21649 319994 320018 26 Số liệu đo đạc Mẫu chiều đứng Mức Mức Mức Mức 47.1 49.9 54.9 57.4 47.2 50.2 54.5 57.3 47 50.0 55.4 59.2 47.1 50.022 46 49.4 51.1 53.2 45.9 47.4 51.2 53.6 45.9 48.4 51.1 55.1 45.93333 48.4 101.3 101.8 101.7 101.1 101 101 101.4 101.2 101.3 101.3 101.7 101.5 101.2 101.3667 101.6 101.2667 I' vào kJ/kg 424.164 424.8687 425.852 424.4467 I" vào kJ/kg 2677.68 2677.914 2678.24 2677.774 30 30.4 30.3 30.1 30 30.4 30.1 30 30.1 30.5 30.2 30 30.03333 30.43333 11.457 11.6626 10.6676 10.0324 11.295 10.8166 10.0146 10.8221 11.5477 10.7637 10.9928 10.258 0.095277 0.092341 97.214 84.897 67.062 57.7139 97.3354 84.463 68.3718 57.9852 96.7287 84.544 67.5692 58.074 3.23642 2.82116 2.25559 1.93081 o Nhiệt độ nước ngưng ( C) Trung bình nhiệt độ nước ngưng (oC) o Nhiệt độ nước giải nhiệt ( C) Trung bình nước giải nhiệt (oC) o Nhiệt độ vào ( C) Trung bình nhiệt độ vào (oC) o Nhiệt độ nước giải nhiệt vào ( C) o Trung bình nước giải nhiệt ( C) Lượng nước ngưng phía nóng g/120s Trung bình lượng nước ngưng phía nóng g/s Lượng nước vào phía lạnh giải nhiệt g/30s Trung bình lượng nước giải nhiệt phía lạnh g/s 54.93333 57.96667 51.13333 53.96667 30.2 30.03333 0.087986 0.086424 Số liệu đo đạc đo tính tốn thử nghiệm, chưa đánh giá xác mức sai số số liệu, tác giả đo đạc nhằm mục đích kiểm tra tính ổn định lưu lượng nước điều chỉnh theo mức Bơm micro với ảnh hưỏng toàn hệ thống 27 Với số liệu ta nhân thấy lưu lượng nước ngưng nước giải nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt vận hành ổn định, điều chứng tỏ hệ thống làm việc đạt yêu cầu đề Ngoài ra, suốt trình thử nghiệm, thiết bị làm việc an tồn thơng số đo đạt nằm giá trị định mức cho phép thiết bị 28 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Mạch điện điều khiển Lò mini chế tạo thành công: - Đạt yêu cầu kỹ thuật - Vận hành yêu cầu cần cấp Lị mini sơ đồ thí nghiệm - Vận hành an toàn ổn định 4.2 Kiến nghị Kiến nghị đưa mạch điện vào vận hành lâu dài nhằm phục vụ nhu cầu thí nghiệm liên quan đến Lò mini xưởng Nhiệt – Điện lạnh 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thanhtrung Dang and Minhhung Doan, An Experimental Investigation on Condensation Heat Transfer of Microchannel Heat Exchangers, International Journal of Computational Engineering Research||Vol, 03||Issue, 12|| [2] Giáo trình khí cụ điện, Trường CĐ Ngoại ngữ - Công nghệ Việt Nhật, nguồn www.ebook.edu.vn [3] http://www.radiantcompany.com/heatsources/etc/ S K L 0 ... vi sai nhiệt độ đóng ngắt thiết bị 20 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế mạch điều khiển Mạch điện điều khiển Lị Hình 3.1: Mạch điện điều khiển Chú thích: X : Rờ le... 19 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 21 3.1 Thiết kế mạch điều khiển 21 3.2 Chế tạo tủ điện điều khiển 23 3.3 Kết vận hành hệ thống thí...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG HƠI Mã số: T2014-71