TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
ĐỒ ÁN TRANG BỊ ĐIỆN
Đề tài: tổng quan về hệ thống gia nhiệt cho lò điện công suất lớn.
Thiết kế điều khiển nâng cao độ chính xác gia nhiệt
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S.HOÀNG XUÂN BÌNH
1
Chương 1. Trang bị điện các thiết bị gia nhiệt
Lò điện là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, dùng trong công
nghiệp nấu chảy vật liệu, công nghệ nung nóng và trong công nghệ nhiệt luyện.
Lò điện được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiêp, trong
ngành y tế v.v…
1.1. Đặc điểm của lò điện
- Có khả năng tạo ra nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một
thể tích nhỏ.
- Do nhiệt năng tập trung, nhiệt tập trung nên lò có tốc độ nung nhanh và
năng suất cao.
- Đảm bảo nung đều, dễ điều chỉnh, khống chế nhiệt và chế độ nhiệt.
- Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc trong
môi trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy tiêu hao kim loại không đáng kể.
- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá ở mức cao.
- Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói.
1.2. Các phương pháp biến đổi điện năng
* Phương pháp điện trở: Phương pháp điện trở dựa trên định luật Joule
-Lence: khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn, thì trên dây dẫn toả ra một nhiệt
lượng, nhiệt lượng này được tính theo biểu thức:
2
Q = I
2
Rt [J]
Trong đó: I - cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, A.

Chương 2. Giới thiệu về các lò điện
2.1. Lò điện trở
2.1.1. Khái niệm chung và phân loại
Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây
đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt năng
được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để nung, nhiệt
luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu…
Phân loại lò điện trở có nhiều cách:
a. Phân loại theo phương pháp toả nhiệt
5
- Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở
mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm
của lò này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc lò đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì
vật nung có tiết diện như nhau theo suốt chiều dài của vật.
- Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt năng toả ra ở dây
điện trở (dây đốt), rồi dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu
hoặc dẫn nhiệt.
b. Phân loại theo nhiệt độ làm việc
- Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 6500C.
- Lò nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc của lò từ 6500C đến 12000C.
- Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 12000C.
c. Phân loại theo nơi dùng
- Lò dùng trong công nghiệp
- Lò dùng trong phòng thí nghiệm
- Lò dùng trong gia đình
d.Phân loại theo đặc tính làm việc
- Lò làm việc liên tục
- Lò làm việc gián đoạn
Lò làm việc liên tục được cấp điện liên tục và nhiệt độ giữ ổn định ở một
giá trị nào sau quá trình khởi động (hình 2.1a). Khi khống chế nhiệt độ bằng cách

Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo),
Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện
trở có khí bảo vệ.
d. Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại
- Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu được nhiệt độ cao tới 14500C, thường
dùng cho lò điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt.
- Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo
dưới dạng hạt có đường kính 2-3mm, thường dùng cho lò điện trở trong phòng
thí nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 18000C.
8
2.14.Tính toán kích thước dây điện trở
Trong mục này chỉ trình bày việc tính chọn dây điện trở là kim loại và hợp
kim. Dây điện trở làm từ kim loại và hợp kim được chế tạo với hai tiết diện: tiết
diện tròn và tiết diện chữ nhật.
- Đối với tiết diện tròn cần tính hai thông số: đường kính dây d và chiều
dài dây điện trở L.
- Đối với dây điện trở tiết diện chữ nhật cần xác định các cạnh a, b (b/a =
m = 5:10) và chiều dài dây đốt L.
Trong thực tế có hai loại lò: một pha và ba pha. Nếu công suất của lò lớn
hơn 5kW phải làm lò ba pha, tránh hiện tượng lệch phụ tải cho lưới điện. Nhưng
khi tính toán chỉ cấn tính cho một pha, vị trí số điện trở của dây dẫn của ba pha
phải như nhau.
- Việc tính toán kích thước dây điện trở được dựa trên hai biểu thức sau:
+ Biểu thức phản ánh quá trình biến đổi điện năng thành nhiệt năng
P = W.F.10
-3
[kW] (2.1)
+ Biểu thức phản ánh các thông số điện
P =
2

.
Biểu thức (2.1) có thể viết dưới dạng sau:
P = W.C.L.10
-2
[kW] (2.3)
Trong đó: C - chu vi của dây điện trở, mm.
Từ (2-3) rút ra được:
L =
CW
P
d
×
×
−2
10
[m] (2.4)
Từ biểu thức (2.2) rút ra:
L =
PR
SU
×
×
2

×
10
3
[m] (2.5)
Cân bằng hai biểu thức (2.4) và (2.5) ta có:
C.S =

ρ
RS
=
3
25
4
10
WP
P
×××
××
π
ρ
[m] (2.9)
b. Đối với dây đốt có tiết diện hình chữ nhật (m = b/a)
C = (a + b).2 = 2a(m +1) (2.10)
S = a.b = ma
2
Thay vào biểu thức (2.6) và tìm a, ta có:
a =
3
2
24
)1(
105
WUmm
P
××+
×××
ρ

+ Theo đinhl luật Joule - Lence
Q = 0,238.I2.R.t [cal] (2.13)
Trong đó: Q- nhiệt lượng toả ra của dây điện trở, cal.
I- dòng điện đi qua dây điện trở, A.
R- điện trở của dây điện trở, Ω.
t- thời gian dòng điện chạy qua dây điện trở, s.
+ Thời gian nung chi tiết đến nhiệt độ yêu cầu:
t =
( )
a
ttGC
21
−
[s] (2.14)
Trong đó: G- khối lượng của chi tiết có độ dài 100mm, kg.
t1- nhiệt độ yêu cầu, 0C.
t2- nhiệt độ môi trường, 0C.
C- nhiệt dung trung bình của chi tiết cần nung.
a- tốc độ toả nhiệt của chi tiết có độ dài 100mm, kcal/s.
+ Công suất điện cần cung cấp cho chi tiết có độ dài là 1mm:
P2 =
100
18.4 al ××
[kW] (2.15)
12
+ Công suất tiêu thụ của lò điện trở:
P1 =
ϕη
cos×
P

).
+ 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 điện
trở, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở là hệ thống kín (có mạch vòng phản
hồi).
Việc điều chỉnh và ổn đinh nhiệt độ của lò được thực hiện thông qua việc
thay đổi các thông số nguồn cấp cho lò. Như vậy tín hiệu phản hồi tỷ lệ với nhiệt
độ của lò trong hệ thống khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở.
* Hiện nay thường dùng các loại cảm biến nhiệt độ sau:
14
+ Nhiệt kế thuỷ ngân: chiều cao của cột nước thuỷ ngân tỷ lệ thuận với
nhiệt độ của lò. Cấu tạo của nó gồm có: - điện cực tĩnh (có thể dịch chuyển được
nhờ nam châm vĩnh cửu); - Nước thuỷ ngân đóng vai trò như một cực động; - vỏ
thuỷ tinh
- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, cùng một lúc thực hiện ba chức năng: cảm
biến, khâu chấp hành và chỉ thị nhiệt độ.
-Nhược điểm: Chỉ dùng được đối với lò điện nhiệt độ thấp (t0 ≤ 6500C),
độ nhạy không cao do quán tính nhiệt của nước thuỷ ngân lớn.
+ Nhiệt điện trở (RN). Trị số điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt
độ theo biểu thức sau:
RRN = RRNO(1 +αt0) [Ω] (2.17)
Trong đó: RRN - trị số điện trở của nhiệt điện trở, Ω;
RRNO- trị số điện trở của nhiệt điện trở trong điều kiện
tiêu chuẩn (nhiệt độ môi trường), Ω;
α - hệ số nhiệt điện trở, Ω/0C.
Với công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn, người ta có thể chế tạo được nhiệt
điện trở với α >0 và α < 0.
- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, dễ gá lắp trong lò.
- Nhược điểm: chỉ dùng được đối với lò nhiệt độ thấp (t0 làm việc dưới

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). Mạch
lực gồm có các phần tử chính sau: - Cuộn kháng xoay chiều CK1 ÷ CK3 dùng để
hạn chế dòng ngắn mạch và hạn chế tốc độ tăng dòng anot (di/dt) của Thyristor.
18
Bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển hoàn toàn dùng Thyristor 1T ÷ 6T
hoặc bộ điều áp xoay chiều ba pha bán điều khiển bằng cách thay các Thyristor
4T, 6T, 2T bằng 3 điôt).
- RdđA, RdđB và RdđC là dây điện trở của lò đấu theo hình sao (Y) hoặc
đấu theo hình tam giác (Δ) tuỳ thuộc vào kích thước dây điện trở khi tính chọn.
- Mạch (R - C) đấu song song với các Thyristor dùng để hạn chế tốc độ
tăng điện áp (du/dt) bảo vệ các Thyristor tránh hiện tượng tự mở.
2.2. Lò hồ quang
2.2.1 Khái niệm chung
Lò hồ quang lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang để nấu chảy kim loại và
nấu thép hợp kim chất lượng cao.
Lò hồ quang được cấp nguồn từ biến áp lò đặc biệt với điện áp đặt vào
cuộn sơ cấp (6 ÷ 10)kV, và có hệ thống tự động điều chỉnh điện áp dưới tải.
` a. Các thông số quan trọng của lò hồ quang là:
+ Dung tích định mức của lò: số tấn kim loại lỏng của một mẻ nấu.
+ Công suất định mức của biến áp lò: ảnh hưởng quyết định tới thời gian
nấu luyện và năng suất của lò.
b. Chu trình nấu luyện của lò hồ quang gồm ba giai đoạn với các đặc điểm
công nghệ sau:
+ Giai đoạn nung nóng nguyên liệu và nấu chảy kim loại.
Trong giai đoạn này, lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ

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.
- Bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng Thyristor.
Chế độ làm việc của động cơ dịch chuyển địện cực là chế độ ngắn hạn lặp
lại.
2.2.2. Sơ đồ cung cấp điên của lò hồ quang
Nguồn cấp cho lò hồ quang được lấy từ trạm phân phối trung gian với cấp
điện áp 6, 10, 20 hoặc 22kV (tuỳ theo cấp điện áp của trạm phân phối).
Sơ đồ cấp điện có các thiết bị chính sau:
+ Cầu dao cách ly, đóng cắt không tải dùng để cách ly mạch lực của lò và
lưới điên trong trường hợp cần sửa chữa.
21
+ Máy cắt dầu 1MC, đóng cắt có tải cấp điện cho lò.
+ Cuộn kháng CK dùng để hạn chế dòng ngắn mạch làm việc (dòng ngắn
mạch làm việc không được lớn hơn 3 lần dòng định mức), ngoài ra cuộn kháng
còn có chức năng đảm bảo cho ngọn lửa hồ quang cháy ổn định, đặc biệt là trong
giai đoạn nung nóng và nấu chảy kim loại. Sau đó cuộn kháng CK được ngắn
mạch bằng máy cắt dầu 2MC.
+ Máy cắt dầu 3MC và 4MC dùng để đổi nối sơ đồ đầu dây cuộn sơ cấp
của biến áp lò (BAL) thành hình sao (Y) hoặc tam giác (Δ).
+ Biến áp lò (BAL) dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp cấp cho lò. Biến
áp lò về cấu tạo và hình dáng giống như biến áp động lực thông thường, nhưng
nó làm việc trong môi trường khắc nghiệt, điều kiện làm việc nặng nề cho nên so
với biến áp động lực thông thường nó có những đặc điểm khác biệt sau:
- Cùng một cấp công suất, biến áp lò có kích thước và khối lượng lớn hơn.

/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 giảm xuống và lúc
đó bộ điều chỉnh thực hiện việc hạ điện cực xuống mặc dầu không cần việc đó.
Các bộ điều chỉnh này chỉ dùng cho lò một pha, chủ yếu là lò hồ quang chân
không
Bộ điều chỉnh duy trì điện áp U
hq
= const có khó khăn trong việc đo thông
số này. Thực tế, cuộn dây đo được nối giữa thân kim loại của lò và thanh cái thứ
cấp BAL. Do vậy điện áp đo được phụ thuộc vào dòng tải và sự thay đổi dòng
của một pha sẽ ảnh hưởng tới 2 pha còn lại như đã trình bày
Bộ điều chỉnh duy trì U
hq
/I
hq
= Z
hq
= const là tối ưu thông qua hiệu số các
tín hiệu dòng và áp: aI
hq
– bU
hq
= bI
hq
(Z0
hq

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 nhạy của bộ
điều chỉnh không quá ± (3÷6)% trong khi nấu chảy và ± (2÷4)% trong các giai
đoạn khác
+ Tác động nhanh, đảm bảo khử ngắn mạch hay đứt hồ quang trong thời
gian (1,5 ÷3)s. Điều đó sẽ làm giảm số lần ngắt máy cắt chính, giảm sự thấm
Carbon của kim loại… Các lò hồ quang hiện đại không cho phép ngắt máy cắt
chính quá 2 lần trong giai đoạn nấu chảy. Đảm bảo yêu cầu này nhờ tốc độ dịch
cực nhanh tới (2,5÷3)m/ph trong giai đoạn nấu chảy (khi dùng truyền động điện
cơ) và (5÷6)m/ph (khi truyền động thuỷ lực). Dòng điện hồ quang càng lệch xa vị
trí đặt thì tốc độ dịch cực phải nhanh
+ Thời gian điều chỉnh ngắn

+ Hạn chế tối thiểu sự dịch cực không cần thiết như khi chế độ làm việc bị
phá vỡ trong thời gian rất ngắn hay trong chế độ thay đổi tính đối xứng. Yêu cầu
24
này càng cần đối với lò 3 pha không có dây trung tính. Chế độ hồ quang của một
pha nào đó bị phá huỷ sẽ dẫn theo phá huỷ chế độ hồ quang của pha còn lại. Điện
cực các pha còn lại đang ở vị trí chuẩn cũng có thể bị dịch chuyển. Do vậy mỗi
pha cần có hệ điều chỉnh độc lập để sự làm việc của nó không ảnh hưởng tới chế
độ làm việc của các pha khác
+ Thay đổi công suất lò trơn trong giới hạn 20÷125% trị số định mức với
sai số không quá 5% .
+ Có thể di chuyển nhanh từ chế độ điều khiển tự động sang chế độ điều
khiển bằng tay do phải thực hiện thao tác phụ nào đó (chẳng hạn nâng điện cực
trước khi chất liệu vào lò) và ngược lại, chuyển nhanh về chế độ điều khiển tự
động.
+ Tự động châm lửa hồ quang khi bắt đầu làm việc và sau khi đứt hồ