TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
THIẾT KẾ MÔN HỌC
MÔN : ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề bài : Đề số 45
Tên đề bài : Thiết kế bộ điều khiển lò nhiệt
Yêu cầu về công nghệ Thông số thiết kế
Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp xoay
chiều
Điện áp cho lò 3 .380V ,Dải công
suất cần điều chỉnh P =5 – 75KW
Giáo viên hướng dẫn : ĐOÀN VĂN TUÂN
Sinh viên : LÊ NGỌC NAMHải Phòng , năm 2012
1
Mục lục
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
1.1. Giới thiệu chung về lò nhiệt……………………………… trang 1
1.2. Cấu tạo lò nhiệt…………………………………………… trang 2
1.3. Yêu cầu của lò nhiệt…………………………………….… trang 5
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
2.1. Các phương án mạch động lực………………………….… trang 8
+ Mạch điều áp xoay chiều 1 pha…………………………….…trang 10
+ Mạch điều áp xoay chiều 3 pha……………………………….trang 12
2.2. Lựa chọn phương án……………………………………… trang 19
2.3. Tính chọn van và các thiết bị bảo vệ…………………… …trang 20
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Nguyên lý chung của mạch điều khiển…………………… trang 27
3.2. Cấu trúc của mạch điều khiển…………………………….…trang 28

dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-
Lenxơ:
Q=I2RT
Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)
I - Dòng điện tính bằng Ampe (A)
R - Điện trở tính bằng Ôm
T - Thời gian tính bằng 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 và tròn )
+ Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên
nói đến lò nhiệt không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, bộ
phận phát nhiệt của lò.
1.2. CẤU TẠO LÒ NHIỆT.
Lò nhiệt thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung.
4
a) Vỏ lò
- Vỏ lò nhiệt là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá
trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và
đảm 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 nhiệt bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất
nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
- Trong những trường hợp riêng, lò nhiệt 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.

- Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục
6
đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần
cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói
chung không yêu cầu.
- Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là :
+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu
+ Ôn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
- Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột
cách nhiệt.
c) Dây nung
- Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm
hai loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại.
Trong công nghiệp, các lò nhiệt dùng phổ biến là dây nung kim loại.
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò nhiệt 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
7
+ 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
- Dây nung phi kim loại
Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than
* PHẠM VI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ.
- Lò nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật :
+ Sản xuất thép chất lượng cao

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 cầu về
lò nhiệt vượt xa khả năng sản xuất ra nó.
+ Hiệu quả về kỹ thuật
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu
9
khi các thông số của nó xác định ( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng
giá thành v.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 bản của hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt
của kết cấu hoặc chi tiết, 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.
+ Chắc chắn khi làm việc
Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của
chất lượng kết cấu của các lò nhiệt. Thường các lò điện làm việc liên tục
trong một ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày. Nếu trong khi làm việc, một
bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản suất chung.
Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lò nhiệt làm việc liên tục trong dây
chuyền sản xuất tự động. Ngay đối với các lò nhiệt làm việc chu kỳ, lò
ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa
là phá huỷ chế độ làm việc bình thường của lò ) có thể dẫn đến làm hư hỏng
sản phẩm, lãng phí nguyên vật liêu và làm tăng giá thành sản phẩm.
Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò
nhiệt là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng dự trữ lớn khi lò làm việc
bình thường. Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ
10
phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò. Thí dụ : dây
nung, băng tải v.v
+ Tiện lợi khi sử dụng

2.1. Các phương án mạch động lực
2.1.1. Các bộ chỉnh lưu 3 pha
a) Chỉnh lưu 3 pha hình tia
12
U
d
=
π
2
3
∫
+
+
θ
π
θ
π
6
5
6
2
U
2
sinθ.dθ=
π
2
63
2
U
cosα




6
5
6
2
2U
sin.d=

2
63 U
cos
I
d
=
R
U
d
u im:
- Cho phộp u thng vo li in 3 pha;
- p mch rt nh (5,7%)
- Cụng sut mỏy bin ỏp cng ch xp x cụng sut ti, ng thi gõy mộo li in ớt
hn cỏc loi khỏc.
Nhc im:
- St ỏp trờn van gp hai ln s hỡnh tia vỡ luụn cú hai van dn a dũng ra ti,
nờn s khụng phự hp vi cp in ỏp ra ti di 10V.
2.2.2. B iu ỏp mt pha :
14
=

1
U
L
U
Hình 3.2: Đường cong điện áp ra khi tải trở
Π
2Π
t
t
Như trên hình 3.2 ta có thể thấy rõ nguyên lý làm việc của bộ điều áp một
pha. Trong thời gian chưa phát lệnh mở Tiristor (từ thời điểm ban đầu đến thời điểm
α), điện áp ra bằng 0. Trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn, khi có lệnh mở
Tiristor , Tiritor T
1
sẽ dẫn cho đến cuối nửa chu kỳ với điện áp ra bằng điện áp nguồn.
Còn Tiristor sẽ dẫn dòng ở nửa chu kỳ còn lại khi có lệnh mở Tiristor.
Đối với trường hợp tải cảm, các Tiristor sẽ dẫn dòng từ khi có lệnh mở và vượt
qua cuối nửa chu kỳ một đoạn ϕ do tính chất của tải điện cảm (trong điều kiện điện áp
dương Anot).
Người ta cũng có thể sử dụng Triac để thay thế cho cặp Tiristor mắc song song
ngược với chất lượng điện áp ra tốt hơn. Nhưng hiện tại chất lượng Triac chưa thật cao
và việc sử dụng cặp Tiristor mắc song song ngược vẫn là phổ biến. Do đó trong phần
đồ án này sẽ không đề cập đến điều áp bằng Triac.
2.1.3. Mạch điều áp xoay chiều 3 pha
Như đã nói ở trên, cơng suất ra tải của lò được tính theo cơng thức:
P = 3.
t
2
f
R

Các mạch điều áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong quá trình điều chỉnh,
mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải
đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở như lò điện trở , bóng đèn loại sợi
đốt v v Dòng điện sẽ liên tục và đồng thời trở thành hình sin hoàn chỉnh chỉ khi điện
áp ra tải lấy bằng điện áp nguồn. Như vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận được một dải n
sóng hài hình sin. Mặc dù vậy, với tải là điện trở thuần thì việc dạng điện áp ra tải không
sin cũng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch điều áp xoay chiều
không phù hợp với tải dạng cảm kháng như biến áp hoặc động cơ điện, nên chỉ dùng
khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn. Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp
xoay chiều thường sử dụng là các mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao( Y )
hoặc tải hình tam giác (
∆
). Quá trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức
tạp hơn nhiều so với mạch một pha vì ở đây các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó
còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải
17
Hình trên là sơ đồ thường dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu tiristor đấu thành ba cặp
song song ngược.
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 nối 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, từ những biểu thức

ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét.
Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn
cũng thay đổi theo. Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính :
1) Khoảng dẫn của van ứng với α = 0 ÷ 60
0
:
Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ
thị dưới đây :
19
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

θ
π
∫∫∫∫ ∫
π
α+
π
α+
π
π
π
α+
π
π
α
α+
π
π
=
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm
α
+
α

5
32
22
2
dm
θ
θ
+θ
θ
π
∫ ∫
α+
π
−
π
α+
π
−
π
α+
π
−
π
α+
π
−
π
=
]2cos
16

−
π
π
α+
π
−
π
θ
θ
+θ
θ
π
32 32
22
2
dm
]d
3
sin
d
4
sin
[
R
U3
=
]2sin
16
1
2cos

2.2. Lựa chọn phương án
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.
22
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu tiristor đấu song song ngược tải thuần
trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng như vậy. Tuy nhiên, do tải đấu tam giác nên
khi mạch có ba van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải là điện áp dây, khi mạch có hai
van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải giữa hai dây đó là điện áp dây còn điện áp rơi trên
hai điện trở còn lại bằng một nửa điện áp dây.
2.3. TÍNH CHỌN VAN BÁN DẪN.
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò nhiệt ta sử dụng
mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần
trở đấu sao.Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc
điều khiển α
Với α = 0 ÷
o
60
:
P =
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm
α
+

2cos
16
3
424
5
[
R
U3
2
dm
α+α+
α
−
π
π
23
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 =
max
P
=75 (kw)
Dựa vào công thức (1) ta tính được công suất ra tải khi α = 0
t
2

hình tia cho mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song
ngược. Cụ thể :
Điện áp ngược lớn nhất trên van :
dmfmaxng
U2U6U ==

537380.2U
maxng
==
(V)
24
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

(do tải thuần trở nên i trùng pha với u )

)]0cos(cos[
R2

I
=
%40
I
maxtb
=
%40
103
= 258 (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
25