MỤC LỤC
Trang
Chương 1. Tổng quan về các thiết bị gia nhiệt 1
1.1. Đặc điểm của lò điện 1
1.2. Các phương pháp biến đổi điện năng 1
Chương 2. Tổng quan về lò điện 4
2.1. Lò điện trở 4
2.2. Lò hồ quang 18
2.3. Lò cảm ứng 31
Chương 3. Thiết kế điều khiển nâng cao 35
3.1. Xây dựng, tổng hợp bộ điều khiển PID và FLC 35
3.2. Mô phỏng hệ thống gia nhiệt cho lò điện 39
Kết luận 41
Tài liệu tham khảo 41
LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta biết, nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý rất
quan trọng. Việc thay đổi nhiệt độ của một vật chất có anhe hưởng đến cấu
tạo, tính chất và các đại lượng vật lý của vật chất.Ví dụ: sự thay đổi nhiệt độ
của một chất khí sẽ làm thay dổ thể tích, áp suất của chất khí trong bình. Vì
vậy trang nghiên cứu khoa học , trong công nghiệp và trong đời sống sinh
hoạt, tu thập các thong số và điều khiển nhiệt độ là rất cần thiết.
Trong các lò nhiệt, máy điều hòa, máy lạnh…điều khiển nhiệt độ là
tính chất quyết điịnh cho sản phẩm ấy.Trong ngành luyện kim cần phải đạt
đến một nhiệt độ nhất định để cho kim loại nóng chảy và cũng cần đạt tới
một nhiệt độ nào đó để ủ kim loại nhằm đạt được tốt các đặc tính cơ học như
độ bền, độ dẻo, độ chống rỉ sét… .Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một
nhiệt độ nào đó để nướng bánh, để nấu, để bảo quản… .Việc thay đổi thất
thường nhiệt độ không chỉ gây hư hại đến chính thiết bị đang hoạt động mà
còn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, ngay cả trên chính sản phẩm ấy.
Có nhiều phương pháp để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt. Mỗi phương
pháp đều mang đến một kết quả khác nhau qua những phương pháp điều

R- điện trở dây dẫn, Ω;
t - thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, s
Nguyên lý làm việc của lò điện trở được biểu diễn trên hình 1.1
Hình 1.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở
a) đốt nóng trực tiếp b) đốt nóng gián tiếp
1. Vật liệu được nung nóng trực tiếp; 2. Cầu dao; 3. Biến áp; 4. Đầu cấp điện
5. Dây đốt (dây điện trở); 6. Vật liệu được nung nóng trực tiếp
* Phương pháp cảm ứng
Phương pháp cảm ứng dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday:
khi cho dòng điện đi qua cuộn cảm thì điện năng được biến thành năng
lượng của từ trường biến thiên. Khi đặt khối kim loại vào trong từ trường
biến thiên đó, trong khối kim loại sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng - dòng
điện xoáy (dòng Foucault). Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ nung nóng
khối kim loại.
Ngyên lý làm việc của lò cảm ứng được biểu diễn trên hình 1.2
Hình 1.2. Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng
a) lò cảm ứng có mạch từ b) lò cảm ứng không có mạch từ
1. vòng cảm ứng, 2. mạch từ; 3. nồi lò; 4. tường lò bằng vật liệu chịu nhiệt
* Phương pháp hồ quang điện
Phương pháp hồ quang điện dựa vào ngọn lửa hồ quang điện. Hồ
quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua chất khí.
Trong điều kiện bình thường thì chất khí không dẫn điện, nhưng nếu
ion hoá khí và dưới tác dụng của điện trường thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai
điện cực tiếp cận nhau thì giữa chúng sẽ xuất hiện ngọn lửa hồ quang. Người
ta lợi dụng nhiệt năng của ngọn lửa hồ quang này để gia công cho vật nung
hoặc nấu chảy.
Nguyên lý làm việc của hồ quang điện được biểu diễn trên hình 1.3
Hình 1.3. Nguyên lý làm việc của lò quang điện
b) lò hồ quang trực tiếp b) lò hồ quang gián tiếp
1. điện cực, 2. ngọn lửa hồ quang; 3. vật gia nhiệt (kim loại); 4. tường lò

định (hình 2.1b)
Lò làm việc gián đoạn thì đồ thị nhiệt độ và công suất như hình 2.2
e. Phân loại theo kết cấu lò, có lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể…
f. Phân loại theo mục đích sử dụng: có lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung …
Ở Việt Nam thường dùng lò kiểu buồng để nhiệt luyện (tôi, ủ , nung,
thấm than); lò kiểu giếng để nung, nhiệt luyện; lò muối để nhiệt luyện dao
cắt qua muối nung…
2.1.2 Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt
Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành
nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ các vật liệu
thoả mãn các yêu cầu sau:
- chịu được nhiệt độ cao.
- độ bền cơ khí cao.
- có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài, khó bố
trí trong lò hoặc tiết diện dây phải nhỏ, không bền).
- hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ, đảm
bảo công suất lò).
- chậm hoá già (tức dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm
bảo tuổi thọ của lò).
2.1.3 Vật liệu làm dây điện trở
a. Dây điện trở bằng hợp kim
- Hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm). Hợp kim này có độ bền cơ học
cao vì có lớp màng Oxit Crôm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở
suất lớn, hệ số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lò có nhiệt độ làm việc dưới
12000C.
- Hợp kim Crôm - Nhôm (Fexran), có các đặc điểm như hợp kim
Nicrôm nhưng có nhược điểm là giòn, khó gia công, độ bền cơ học kém
trong môi trường nhiệt độ cao.
b. Dây điện trở bằng kim loại
Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden

R
U
×
10
3
=
ρ
2
U
×
10
3
[kW] (2.2)
Trong đó: P - công suất của dây điện trở, kW
W - công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực, W/cm
2
.
F - diện tích xung quanh của dây điện trở, cm
2
.
U - điện áp giữa hai đầu dây điện trở, V.
R - điện trở của dây đốt, Ω.
ρ - điện trở suất của vật liệu chế tạo dây điện trở, Ωmm
2
/m.
L - chiều dài của dây điện trở m.
S - diện tích của tiết diện cắt ngang của dây điện trở, mm
2
.
Biểu thức (2.1) có thể viết dưới dạng sau:

×
×
2
2
ρ
[mm3] (2.6)
a. Đối với dây điện trở có tiết diện tròn
C = лd, S =
4
2
d×
π
(2.7)
Thay vào (2.6) và tìm d, ta có:
d =
3
22
25
104
WU
P
××
×××
π
ρ
[mm] (2.8)
L =
ρ
RS
=

RS
=
3
22
2
)1(
5.2
Wm
mU
××+
×××
ρ
ρ
[m] (2.12)
2.1.5 Các loại lò điện trở thông dụng
Theo chế độ nung, lò điện trở phân thành hai nhóm chính:
1. Lò nung nóng theo chu kỳ
2) Lò nung nóng liên tục bao gồm:
+ Lò băng: buồng lò có tiết diện chữ nhật dài, có băng tải chuyển
động liên tục trong buồng lò. Chi tiết cần gia nhiệt được sắp xếp trên băng
tải. Lò buồng thường dùng để sấy chai, lọ trong công nghiệp chế biến thực
phẩm.
+ Lò quay thường dùng để nhiệt luyện các chi tiết có kích thước nhỏ
(bi, con lăn, vòng bi), các chi tiết cần gia nhiệt được bỏ trong thùng, trong
quá.
trình nung nóng, thùng quay liên tục nhờ một hệ thống truyền động điện.
2.1.6. Khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở
a. Đặt vấn đề
+ Theo đinhl luật Joule - Lence
Q = 0,238.I2.R.t [cal] (2.13)

Từ biểu thức trên ta rút ra rằng: để điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở có
thể thực hiện bằng cách điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở.
Điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở có thể thực hiện bằng các
phương pháp sau:
- Hạn chế công suất cấp cho dây điện trở bằng cách đấu thêm điện trở
phụ (cuộn kháng bão hoà, điện trở).
- Dùng biến áp tự ngẫu, hoặc biến áp có nhiều đầu dây sơ cấp để cấp
cho lò điện trở.
- Thay đổi sơ đồ đấu dây của dây điện trở (từ tam giác sang sao, hoặc
từ nối tiếp sang song song).
- Đóng cắt nguồn cấp cho dây điện trở theo chu kỳ.
- Dùng bộ điều áp xoay chiều để thay đổi trị số điện áp cấp cho dây
điện trở.
b. Các loại cảm biến nhiệt độ
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ
được trình bày trên hình 2.2.
Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ
lò điện trở
- Trong sơ đồ khối chức năng gồm có các khâu chính sau:
+ Lò điện trở 3 là đối tượng điều chỉnh với tham số điều khiển là nhiệt
độ của lò (t0). - Bộ điều chỉnh và ổn định nhiệt độ 2 (thay đổi các thông số
nguồn cấp cấp cholò điện trở)
+ Bộ tổng hợp tín hiệu điều khiển 1 (ε = t
0đặt
– t
0ph
).
+ Cảm biến nhiệt độ 4, có chức năng gia công ra một tín hiệu điện tỷ
lệ với nhiệt độ của lò.
Để nâng cao độ chính xác khi khống chế và ổn đinh nhiệt độ của lò

-Ưu điểm: trị số sức nhiệt điện e tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong
một dải rộng, được dùng trong tất cả các loại lò nhiệt độ làm việc tới
13500C.
- Nhược điểm: trị số sức nhiệt điện rất bé nên cần phải có một khâu
khuếch đại chất lượng cao.
2.1.7. Một số sơ đồ khống chế nhiệt độ lò điện trở điển hình
a. Sơ đồ khống chế nhiệt độ lò điện trở bằng bộ điều áp xoay chiều
dùng triac (hình 2.3)
Hình 2.3. Sơ đồ mạch điện nguyên lý
+ Thông số kỹ thuật của lò:
Đây là lò công suất nhỏ, nhiệt độ làm việc thấp dùng để nuôi, cấy vi
trùng trong các viện nghiên cứu
- Công suất định mức: P = 500W.
- Nhiệt độ làm việc: t0 = 370 ± 10.
+ Nguyên lý điều chỉnh và ổn định nhiệt độ:
Nguyên lý điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở thực hiện bằng cách: điều
chỉnh trị số điện áp nguồn cấp cho dây điện trở bằng cách thay đổi góc mở α
của triac TC. Trị số góc mở α của triac được xác đinh bằng tốc độ nạp của tụ
C2. Tốc độ nạp của tụ C2 phụ thuộc vào dòng colectơ của transito TR3 (Ic).
Hình 2.4 Đồ thị điện áp
b. Sơ đồ khống chế ổn định nhiệt độ lò điện trở bằng bộ điều áp xoay
chiều ba pha dùng Thyristor.
Đối với lò điện trở có công suất trên 5kW, để tránh hiện tượng lệch
phụ tải cho lưới điện nên phải dùng lò 3 pha. Để khống chế và ổn định nhiệt
độ của lò người ta dùng bộ điều áp xoay chiều ba pha cấp điện cho dây điện
trở của lò.
+ Sơ đồ mạch lực của lò biểu diễn trên hình 2.5
Hình 2.5 Sơ đồ mạch lực lò 3 pha
Sơ đồ được dùng cho lò điện trở có dải công suất tiêu thụ từ 5 đến 90
kW(tuỳ thuộc vào trị số dòngđiện trung bình đi qua các Thyristor 1T ÷ 6T).

+ Giai đoạn ôxy hoá là giai đoạn khử cacbon (C) của kim loại đến một
trị số hạn định tuỳ theo mác thép, khử phốt pho (P) và khử lưu huỳnh trong
mẻ nấu. Ở giai đoạn này, công suất nhiệt chủ yếu để bù lại tổn hao nhiệt
trong quá trình nấu luyện; nó chiếm khoảng 60% công suất nhiệt của giai
đoạn nấu chảy kim loại.
+ Giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử oxy, khử sulfua trước khi
thép ra lò. Công suất nhiệt của ngọn lửa hồ quang trong giai đoạn này khá ổn
định. Công suất yêu cầu chiếm khoảng 30% của giai đoạn nấu chảy kim loại.
Độ dài cung lửa hồ quang khoảng 20mm.
c. Cấu tạo và kết cấu của lò hồ quang
Một lò hồ quang bất kỳ đều phải có các bô phận chính sau:
- Nồi lò có lớp vỏ cách nhiệt, cửa lò và miệng rót thép nấu chảy.
+ Vòm, nóc lò có vỏ cách nhiệt.
+ Giá nghiêng lò.
+ Điện cực.
+ Giá đỡ điện cực
Và các cơ cấu sau:
+ Cơ cấu nghiêng lò để rót nước thép và xỉ.
+ Cơ cấu quay vỏ lò xung quanh trục của mình.
+ Cơ cấu dịch chyển vỏ lò để nạp liệu.
+ Cơ cấu nâng vòm lò để dịch chuyển vỏ lò.
+ Cơ cấu dịch chuyển điện cực.
+ Cơ cấu nâng tấm chắn gió của cửa lò.
Trong sáu cơ cấu trên (trừ cơ cấu dịch chuyển điện cực) đều dùng hệ
truyền đông xoay chiều với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc hoặc rôto
dây quấn. Còn cơ cấu dịch chuyển điện cực dùng hệ truyền đông một chiều.
Động cơ truyền đông là động cơ điện một chiều kích từ độc lập được
cấp nguồn từ một bộ biến đổi. Bộ biến đổi có thể là:
- Máy điên khuếch đại
- Khuếch đại từ.

sinh trong các cuộn dây và thanh dẫn trong trường hợp xảy ra hiện tượng
ngắn mạch làm việc.
2.2.3. Điều chỉnh công suất lò hồ quang
Trong một chu trình nấu luyện của lò hồ quang, trong mỗi giai đoạn,
công suất điện tiêu thụ khác nhau. Bởi vậy, điều chỉnh công suất lò hồ quang
là một vấn đề quan trọng đối với công nghệ nấu luyện kim loại trong lò hồ
quang.
Ngoài ra, điều chỉnh công suất lò trong toàn chu trình nấu luyện hợp
lý cho phép:
- Giảm thời gian nấu luyện.
- Nâng cao năng suất của lò.
- Giảm chi phí điện năng.
- Nâng cao chất lượng thép.
Điều chỉnh công suất lò bằng cách thay đổi điện áp ra của BAL hoặc
sự dịch chuyển điện cực để thay đổi chiều dài ngọn lửa hồ quang và như vậy
sẽ thay đổi được điện áp hồ quang và công suất tác dụng của hồ quang. Có
thể duy trì công suất lò theo dòng I
hq
, điện áp U
hq
hoặc Z
hq
= U
hq
/I
hq
.
Bộ điều chỉnh duy trì dòng Ihq =const sẽ không mồi hồ quang tự
động được. Ngoài ra, khi dòng điện trong một pha nào đó thay đổi sẽ làm
cho dòng 2 pha còn lại thay đổi. Ví dụ như đứt 1pha, dòng 2 pha còn lại

hq
, Z
hq
giá trịđặt và giá trị thực của tổng trở hồ quang.
1/bI
hq
(aI
hq
- bU
hq
) = Z0
hq
– Z
hq
= ΔZ
hq
Như vậy việc điều chỉnh thực hiện theo độ lệch của tổng trở hồ quang
so với giá trị đặt. Phương pháp này dễ mồi hồ quang, duy trì được công suất
lò, ít chụi ảnh hưởng của dao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn
nhau giữa các pha.
Mỗi giai đoạn làm việc của lò hồ quang (gồm nấu chảy, ôxy hoá, hoàn
nguyên) đòi hỏi một công suất nhất định, mà công suất này lại phụ thuộc
chiều dài ngọn lửa hồ quang. Như vậy, điều chỉnh dịch điện cực tức là điều
chỉnh chiều dài ngọn lửa hồ quang, do đó điều chỉnh được công suất lò hồ
quang. Đó là nhiệm vụ cơ bản của các bộ điều chỉnh tự động các lò hồ
quang.
- Các yêu cầu chính đề ra cho một bộ điều chỉnh công suất lò hồ
quang là:
+ Đủ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò, duy trì dòng
điện hồ quang không tụt quá (4÷5)% trị số dòng điện làm việc. Vùng không

chỉnh rộng, bằng phẳng, dễ điều chỉnh và có thể dễ mở máy, đảo chiều, hãm.
Đôi khi cũng dùng động cơ không đồng bộ có mômen quán tính của roto
nhỏ.
2.2.4.Một số sơ đồ khống chế dịch cực lò hồ quang
a. Sơ đồ chức năng một pha khống chế dịch cực hồ quang (hình 2.6)
Hình 2.6 Sơ đồ khối chức năng hệ điều chỉnh công suất lò hồ quang
Hệ gồm đối tượng điều chỉnh 7 (lò hồ quang) và bộ điều chỉnh vi sai.
Bộ điều chỉnh gồm các phần tử cảm biến dòng 1 và biến áp 2, phần tử so
sánh 3, bộ khuếch đại 5, cơ cấu chấp hành 6 và thiết bị đặt 3. Trên phần tử
so sánh 4 có hai tín hiệu từ đối tượng tới (từ đối tượng dòng và áp) và một
tín hiệu từ thiết bị đặt tới. Tín hiệu so lệch từ phần tử so sánh được khuếch
đại qua bộ khuếch đại 5 rồi đến cơ cấu chấp hành 6 để dịch cực theo hướng
giảm sai lệch. Để hoàn thiện đặc tính động của hệ, nâng cao chất lượng điều
chỉnh, thường sơ đồ còn có các phần tử phản hồi về tốc độ dịch cực, về tốc
độ thay đổi dòng , áp hồ quang v.v…Trong sơ đồ cũng có thể có các phần tử
chương trình hoá, máy tính v.v…
Hệ điều chỉnh có thể dùng khuếch đại từ, khuếch đại máy điện,
Thyristor, thuỷ lực, ly hợp điện từ…
2.2.5. Lò hồ quang chân không
Nấu luyện kim loại trong chân không sẽ loại trừ được tương tác của
kim loại nóng chảy với khí quyển, thực hiện khử khí trong kim loại triệt để
hơn, loại trừ tương tác của kim loại nóng chảy với các điện cực v.v…Do
vậy, lò chân không được ứng dụng trong:
- sản xuất các vật liệu chụi nhiệt và có hoạt tính hoá học mạnh như:
ziricôni Zn, titan Ti, vonfram W v.v…
- sản xuất kim loại hiếm.
- sản xuất thép chất lượng cao, có lý tính tốt dùng trong các ổ đỡ cao
tốc…
- sản xuất các vật liệu đặc biệt dùng trong các ngành kỹ thuật như:
nguyên tử, vũ trụ…