1

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
Chương 4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
Kết luận

3. Các bản vẽ :
B
ản vẽ tổng thể toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch
điều khiển ) trên giấy vẽ kỹ thuật khổ A2.



2 - Hiệu quả về kỹ thuật ....................................................................... 6

3 - Chắc chắn khi làm việc .................................................................. 6

4 - Tiện lợi khi sử dụng ........................................................................ 7

5 - Rẻ và đơn giản khi chế tạo ............................................................. 7

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

cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được khiệt độ
của lò. Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án môn học điện tử công suất mà
em đã được giao.
Đồ án đã được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm
Quốc Hải. Đồ án được chia thành ba phần chính sau:
1. Giới thiệu sơ lược về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò điện
và lò điện trở.
2. Thiết kế và tính toán mạch lực.
3. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển. 4
CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ
LÀM VIỆC CỦA LÒ ĐIỆN

I - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN
1 - Định nghĩa
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong
các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các
kim loại và các hợp kim khác nhau v.v...
- Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật :
+ Sản xuất thép chất lượng cao
+ Sản xuất các hợp kim phe-rô
+ Nhi
ệt luyện và hoá nhiệt luyện
+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi
+ Sản xuất đúc và kim loại bột

dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở
đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-
Lenxơ :
Q=I
2
RT
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 điện trở không thể không đề cập đến vật liều để làm dây nung,
bộ phận phát nhiệt của lò.
2 - Những vật liệu dùng làm dây nung
a) - Yêu cầu của vậ
t liệu dùng làm dây nung
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện
khắc nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yều cầu sau :
+ Chịu nóng tốt, ít bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao
+ Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao
+ Điện trở suất phải lớn
+ Hệ số nhiệt đi
ện trở phải nhỏ

2 - Hiệu quả về kỹ thuật
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiêu suất cực đại của kết cấu
khi các thông số của nó xác định ( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng
giá thànhv.v... ).
Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một
đơn vị công suất định mức, su
ất tiêu hao điện để nung v.v... là các chỉ tiêu cở
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.
3 - Chắc chắn khi làm việc
Chắc chắn khi làm việc là m
ột trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của
chất lượng kết cấu của các lò điện. Thường các lò điện làm viêc liên tục trong
một ca, hai ca và ngay cả ba ca một ngày. Nếu trong khi làm việc, một bộ 7
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 điện làm việc liên tục trong dây chuyền
sản xuất tự động. Ngay đối với các lò điện 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 thườ
ng vủa 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
điện 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 phậ
n
quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò. Thí dụ : dây nung,

Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình
dáng và tỷ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi. Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền
của kết cấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng
khít với nhau.
Việc gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với
hình dáng bề ngoài của lò điện. Song cũng c
ần tránh sự trang trí không cần
thiết.
II - Cấu tạo lò điện trở
Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung.
1 - Vỏ lò
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị 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 c
ủa lò.
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toàn
kín, còn đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm
tổng thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều
cao lò.
Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc
kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chị
được tải trọng của lớp lót, phụ tải
lò ( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
- Vỏ lò chữ nhật thườnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v...
- Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v...
- Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng
một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường
dùng thép t
ấm dày

đối với lò làm việc chu kỳ.
Phần cách nhiệt thường nằm gi
ữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục
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 nhi
ệt cực tiểu
+ Ổn 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.
3 - 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 điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại. 10
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA

I - MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA :
Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công thức:
P = 3.
t
2
f
R
11
Một ưu điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngược
nhau thay thế cho triac trong nạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển
để mở và khoá thyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac.
Ta có đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều :
Các mạch điều áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong quá trình
điều ch
ỉnh, 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 điệ
n 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 của lò điện trở 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
độ
ng 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 (
Δ
). 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 12
sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều

)sin(
R3
U
i
dm
ϕ+θ=

• Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) :
)sin(
R2
U
i
dm
ϕ+θ=

trong đó :
dm
U
là biên độ điện áp dây.
ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét. 13
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 ÷
o
60
:
Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ

3
2
3
2
2
3
2
3
2
3/
3
3
22
2
dm
θ
θ
+θ
θ
+θ
θ
+θ
θ
+θ
θ
π
∫∫∫∫∫
π
α+
π


142) Khoảng van dẫn ứng với α = 60 ÷
o
90
:
Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Ta có đồ thị
điện áp ra 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
=

=
]d
4
sin
d
4
sin

α+
π
−
π

=
]2cos
16
3
2sin
16
3
12
[
R
U3
2
dm
α+α+
π
π
(2)

15

θ
π
3232
22
2
dm
]d
3
sin
d
4
sin
[
R
U3

=
]2sin
16
1
2cos
16
3
424
5
[
R
U3
2
dm

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.
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor 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.
17
18
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ TÍNH TOÁN MẠCH LỰCI - TÍNH CHỌN VAN BÁN DẪN
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện dưới đây 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 :

3
12
[
R
U3
2
dm
α+α+
π
π

Với α = 90 ÷ 150
o
:
P =
]2sin
16
1
2cos
16
3
424
5
[
R
U3
2
dm
α+α+
α