1

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ LÒ ĐIỆN TRỞ
THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ LÒ ĐIỆN TRỞ
1. Các số liệu cho trước :
Nhiệt độ lò 400 - 600 (
0
C)
Công suất định mức 40 ( kW )
Tổn hao nhiệt 10 ( kW )
Điện áp nguồn lưới 3*380 ( V )

2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :
Chương 1 Giới thiệu chung về lò điện trở
Chương 2 Giới thiệu về mạch điều áp xoay chiều ba pha
Chương 3 Thiết kế và tính toán mạch lực

6 - Hình dáng bề ngoài đẹp 7
II - Cấu tạo lò điện trở 8
2 - Lớp lót 9
3 - Dây nung 9
Chương 2 10
Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha 10
I - MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA : 10
II - QUAN HỆ GIỮA GÓC ĐIỀU KHIỂN VÀ CÔNG SUẤT RA TẢI 12
Chương 3 18
Thiết kế tính toán mạch lực 18
II - TÍNH TOÁN BẢO VỆ VAN BÁN DẪN 21
Chương 4 26
Thiết kế và tính toán mạch điều khiển 26
I. NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN 26
TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 28
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ. 28
Kết luận 44
Tài liệu tham khảo 45

3
LỜI NÓI ĐẦU

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt
đóng một vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng để nung
nóng, sấy khô Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý
và có hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện trở được ứng dụng rất rộng rãi trong
công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặ

+ 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 v
ật liệu chịu lửa v.v
Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng
được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một
cách phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước 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 ưu điểm sau :
- 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
- 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 - Nhược điểm của lò điện
- Năng lượng 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

ện 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 hoăc dễ ép khuôn 6
b)- Dây nung kim loại
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công
nghiệp, dây nung kim loại đều được 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
được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường
có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung như :
+ Điện trở suất nhỏ

+ Hệ số nhiệt điện trở lớn
+ Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyễn bình thường
Dây nung kim loại thường được 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 như không làm phức tạp quá trình gia công và làm
tăng giá thành một cách rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như
thế mới coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầy về
lò điện vượt xa khả nă

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 lượng các thiết bị hiếm và quí bị hao mòn nhanh yêu cầu t
ối 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 như sau :
- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hi
ếm ( các kim loại
mầu, các hợp kim có hàm lượng 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 đưọc các thiết bị, dụng cụ thông thường 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 tố
i 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
ấm dày
3 - 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm và 8 – 12 mm khi
đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò
khoảng 4500 – 6500 mm.
Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng
đệm tăng cường bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ ngật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt
theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo 9
yêu cầu kín của lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và
tán.
2 - Lớp lót
Lớp lót lò điện trở thường 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 thước đã cho của buồng lò.
Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lử
a và các chất dính dết gọi
là các 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 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 v
ận 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 được tác dụng của khí quyển
lò và ảnh hưởng của vật nung.

R
U

Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải , ta có thể thay đổi
t
R hoặc
f
U
. Tuy nhiên, trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi
f
U
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 thể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) dùng van bán dẫn.
Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc tương tự như ở các bộ
chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở
của van so với điểm qua không của điện áp
nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van ).
Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra
tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều người ta không dùng diot
mà dùng triac 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 thường dùng sơ
đồ 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho
triac như hình dưới :
Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua
cặp thyristor đấu song song ngược này là dòng xoay chiều. Các van thyristor
được phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua
cặp van là hoàn toàn đối xứng.

Hình trên là sơ đồ thường dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu thyristor đấu
thành ba cặp song song ngược.
II - QUAN HỆ GIỮA GÓC ĐIỀU KHIỂN VÀ CÔNG SUẤT RA TẢI
Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai
đoạn sẽ có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật dưới đây ta có thể có được
biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. Dưới đây
là các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha:
• Nếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nố
i
ra tải.
• Nếu chỉ hai pha có van dẫn thì một pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó
điện áp đưa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn.
• Không thể có trường 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 được đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều ba pha. Tiếp
theo, t
ừ những biểu thức điện áp của từng giai đoạn đó ta lại có thể tính toán
được các đại lượng cần tính như điện áp, dòng điện, công suất
Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu
thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ
thị quan hệ giữa công suất tải và góc α :
Công suất tải là :
R.I.3P
2
=
trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng
điện tải. Dòng điện này biến thiên theo hai trong ba quy luật dẫn dòng của van
như sau :
• Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) :
)sin(


Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công
suất ra tải P và góc điều khiển α :
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

π
π
π
α+
π
π
α
α+
π
π

=
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm
α
+
α
−
π
π
(1)
U3
36
5
32
36
5
32
22
2
dm
θ
θ
+θ
θ
π
∫∫
α+
π
−
π
α+
π
−
π
α+
π
−
π
α+
π

3) Khoảng van dẫn ứng với α = 90 ÷
o
150
:
Trong phạm vi này chỉ có các giai đoạn hai van dẫn hoặc không có van
nào dẫn xen kẽ nhau. Ta có đồ thị điện áp ra như ở dưới :

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công
suất ra tải P và góc điều khiển α :
R.I.3P
2
=

=
∫∫
π
α+
π
−
π
π
α+
π
−
π
θ
θ
+θ
θ
π

−
π
π
(3)
Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và cho các giá trị α khác nhau và lấy P ở
α = 0 là 100% ta có bảng các giá trị và đồ thị biểu diễn quan hệ giữa công
suất ra tải P và góc điều khiển α :

16
α
P%
α
P%
0 100 90 29,3
20 98,6 100 18,1
30 95,6 110 9,7
40 90,2 120 4,3
50 81,8 130 1,3
60 70,6 140 0,1
70 57,16 150 0
80 42,8

Nhận xét : công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển α = 0
nhưng với α =30 thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi α = 0.

60
:
P =
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm
α
+
α
−
π
π

Với α = 60 ÷ 90
o
:
P =
]2cos
16
3
2sin
16
3
12

πCông suất định mức của lò điện là
dm
P = 40 (kw)
Tổn hao của lò điện
P
Δ
= 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 19
như sự an toàn trong hoạt động của lò điện, ta sẽ chọn một lượng công suất dự
trữ cho lò điện đề phòng trường hợp điện áp nguồn vì một lý do nào đó bị sụt
áp . Ngoài ra, trong quá trình hoạt độngcua mình, lò điện cũng chịu thêm một
số tổn thất khác như tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đường dây
nhưng do không đáng kể so v
ới tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể bỏ
qua.
Khi α = 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 =
max
P
vì vậy để đảm bảo đủ bù các tổn
hao đã nói ở trên ta chọn công suất lớn nhất của lò ứng với khi góc điều khiển
α = 0 là :
P =

Như đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng tương
tự như mạch chỉnh lưu, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor
đấu song song ngược có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống
như nguyên lý của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia. Vì vậy, ta có thể hoàn toàn
áp dụng các thông số chọn van của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia cho mạch
điều áp xoay chiề
u ba pha sáu thyristor đấu song song ngược. Cụ thể :
Điện áp ngược lớn nhất trên van :
dmfmaxng
U2U6U ==
Æ 537380.2U
maxng
== (V) 20
Nhận xét : khi góc điều khiển α = 0 điện áp ra tải là hình sin và như
vậy, dòng trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định
được giá trị dòng điện trung bình qua van.
∫
π
θ
π
=
0
maxmaxtb
sinI
2
1
I

thì dòng qua van không quá lớn nên ta có thể chọn chế độ làm mát cho van
bằng không khí có quạt gió cưỡng bức. Ta chọn các điề
u kiện thích hợp để
van có thể chịu dòng tới 40% dòng định mức của van.
Khi đó:
tb
I
=
%40
I
maxtb
=
%40
6,68

= 172 ( A )
Để chọn giá trị của điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ
số dự trữ điện áp
u
k
= 1,6 ÷ 2
ta chọn :
u
k
= 1,6
ng
U
=
u
k .

Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng
áp quá lớn. Để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên van dẫn đến hỏng van
ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bảp vệ van
thường dùng nhất là mắc mạch R, C song song van để
bảo vệ quá áp và mắc
nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng.
Do tải của lò điện là tải thuần trở nên khi van có tín hiệu điều khiển mở
thì dòng qua van sẽ tăng đột ngột với tốc độ tăng dòng rất lớn sẽ gây hỏng
van. Vì vậy, người ta cần phải mắc vào trước van một cuộn dây để hạn chế
tố
c độ tăng dòng. Cuộn dây được dùng là một cuộn kháng bão hoà có đặc tính
là: khi dòng qua cuộn kháng ổn định thì điện cảm của cuộn kháng hầu như
bằng không và lúc này cuộn dây dẫn điện như một dây dẫn bình thường.
Ta có mạch như hình vẽ:
Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch:
U
f
= i.R + L.
d
t
di

Ta thấy rằng tốc độ tăng dòng lớn nhất là:
d
t
di
max =
L
U
f

áp cho van. Người ta chia ra hai loại nguyên nhân gây nên quá áp:
1 - Nguyên nhân nội tại: là do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn.
Khi khoá van thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược
lại hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian rất ngắn. Sự biến thiên
nhanh chóng củ
a dòng điện ngược gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn
trong các điện cảm, vốn luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các
thyristor. Vì vậy, giữa anốt và catốt của thyristor xuất hiện quá điện áp. Ta có
đồ thị thể hiện quá trình biến thiên của điện áp và dòng điện trên van:

2 - Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thường xẩy ra
ngẫu nhiên như khi đóng cắt không tải một máy bi
ến áp trên đường dây, khi
một cầu chì bảo vệ nhẩy, khi có sấm sét
Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên
người ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor như hình dưới: 23
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 đường 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 phương pháp xác định thông số R, C
bằng đồ thị giải tích, sử dụng nhữ
ng đường cong đã có sẵn.
Các bước tính toán như sau:
-
Xác định hệ số quá áp theo công thức:
k =
im

tính
d
t
di
max khi chuyển mạch như ở phần tính toán cuộn kháng bão
hoà.
-
Xác định điện lượng tích tụ Q = f(
dt
di
), sử dụng các đường cong cho
trong sổ tay tra cứu để xác định.
-
Tính toán các giá trị của R, C theo công thức:
C =
im
*
min
U
Q.2
.C

Q2
LU
RR
Q2
LU
R
im
*