Thiết kế đồ án môn học

Điều chỉnh và khống chế nhiệt
độ lò điện trở Bộ giáo dục và đào tạo

Trờng Đại học Bách khoa Hà nội

Thiết kế đồ án môn học

đề tài
điều chỉnh và khống chế nhiệt độ lò điện trở 1. Đầu đề thiết kế :
Thiết kế bộ điều chỉnh và tự động khống chế nhiệt độ lò điện trở
2. Ngời thực hiện :
Họ và tên Tạ Doãn Hải Bằng
Lớp Tự Động Hoá 1

Công suất định mức 40 ( kW )
Tổn hao nhiệt 10 ( kW )
Điện áp nguồn lới 3*380 ( V )

2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :
Chơng 1 Giới thiệu chung về lò điện trở
Chơng 2 Giới thiệu về mạch điều áp xoay chiều ba pha
Chơng 3 Thiết kế và tính toán mạch lực
Chơng 4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
Kết luận

3. Các bản vẽ :
Bản 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.
Mục lục

Lời mở đầu 1
Chơng 1: Tổng quan về cấu tạo và
nguyên lý làm việc của lò điện 2
1. Giới thiệu chung về lò điện
2. Giới thiệu chung về lò điện trở
3. Cấu tạo lò điện trở
Chơng 2: Giới thiệu chung về
mạch điều áp xoay chiều ba pha
1. Mạch điều áp xoay chiều
2. Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải
Chơng 3: Thiết kế và tính toán mạch lực
1. Tính toán chọn van bán dẫn
2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn
Chơng 4: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển

Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án môn học điện tử công suất mà em đã
đợc giao.
Đồ án đã đợc thực hiện dới sự hớng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm
Quốc Hải. Đồ án đợc chia thành ba phần chính sau:
1. Giới thiệu sơ lợc 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.
Chơng 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 nh nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các
kim loại và các hợp kim khác nhau v.v
- Lò điện đợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật :
+ Sản xuất thép chất lợng cao
+ Sản xuất các hợp kim phe-rô
+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện
+ Nung các vật phẩm trớc khi cán, rèn dập, kéo sợi
+ Sản xuất đúc và kim loại bột
- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác :
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện đợc dùng để sất, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện đợc dùng để sản xuất các vật phẩm
thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v

- Vật nung : Trờng hợp này gọi là nung trực tiếp
- Dây nung : Khi dây nung đợc nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung
bằng bức xạ, đối lu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trờng hợp này gọi là
nung gián tiếp.
Trờng 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 )
Trờng hợp thứ hai thờng 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 vật 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 điện trở phải nhỏ
+ Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi
+ Các kích thớc phải không thay đổi khi sử dụng
+ Dễ gia công, dễ hàn hoăc dễ ép khuôn
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 đợc 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
đợc dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thờng
có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung nh :
+ Điện trở suất nhỏ
+ Hệ số nhiệt điện trở lớn
+ Bị ôxy hoá mạnh trong môi trờng khí quyễn bình thờng
Dây nung kim loại thờng đợc chế tạo ở dạng tròn và dạng băng

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
thờng. Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các bộ phận
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 lợng các thiết bị hiếm và quí bị hao mòn nhanh yêu cầu tối 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 nh sau :
- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm ( các kim loại
mầu, các hợp kim có hàm lợng 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 đọc các thiết bị, dụng cụ thông thờng 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 tối 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
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

theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể đợc bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu
cầu kín của lò. Phơng pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.
2 - Lớp lót
Lớp lót lò điện trở thờng 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 thớc đã cho của buồng lò.
Cũng có khi ngời ta đầm bằng các loại bột chịu lửa 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 đợc 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 vận 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 đợc tác dụng của khí quyển
lò và ảnh hởng của vật nung.
+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng
đối với lò làm việc chu kỳ.
Phần cách nhiệt thờng nằm giữa 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 nhiệt 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

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 ngời 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 ngời ta thờng dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngợc nhau thay cho
triac nh hình dới :
Các van T1, T2 lần lợt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua
cặp thyristor đấu song song ngợc này là dòng xoay chiều. Các van thyristor
đợc phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua
cặp van là hoàn toàn đối xứng.
Một u điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngợc
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 nhợc 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
nh 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. Nh vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận đợc 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 hởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch
điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng nh 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 thờng 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 hởng mạnh
sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố nh sơ đồ đấu van, góc điều
khiển cụ thể, tính chất tải

i
dm
+=

Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) :
)sin(
R2
U
i
dm
+=
trong đó :
dm
U là biên độ điện áp dây.

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
= 0 ữ
o
60 :
Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ
nhau nh đồ thị dới đây :

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

3
2
3/
3
3
22
2
dm


+

+

+

+




+

+



+



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

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định đợc biểu thức liên quan giữa công
suất ra tải P và góc điều khiển
:
R.I.3P
2
=
=
]d
4
sin
d
4
sin
[
R
U3
36
5
32
36
5
32
22

16
3
12
[
R
U3
2
dm
++


(2)

3) Khoảng van dẫn ứng với
= 90 ữ
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 nh ở dới :

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

R
U3

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




(3)
Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và cho các giá trị
khác nhau và lấy P ở
= 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
:

Chơng 3
Thiết kế tính toán mạch lực

I - Tính chọn van bán dẫn
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện dới đây ta sử
dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngợc, tải
thuần trở đấu sao.
Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều
khiển
:
Với
= 0 ữ
o
60 :
P =
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm

+




1
2cos
16
3
424
5
[
R
U3
2
dm
++



Công suất định mức của lò điện là
dm
P = 40 (kw)
Tổn hao của lò điện
P = 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
nh sự an toàn trong hoạt động của lò điện, ta sẽ chọn một lợng công suất dự
trữ cho lò điện đề phòng trờng 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 nh tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đờng dây
nhng do không đáng kể so với tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể bỏ

380
P2
U
R ==
= 1,444 ()
ta xác định đợc dây điện trở của lò có giá trị là 1,444 (
). Từ đây, dựa
vào công nghệ chế tạo ta có thể tiến hành thiết kế chi tiết cho dây điện trở để
có thể đảm bảo đợc các yêu cầu kinh tế kĩ thuật của lò điện.
Tiếp theo, ta tiến hành chọn van thông qua các thông số kỹ thuật của
van là điện áp ngợc lớn nhất, dòng trung bình qua van
Nh đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng tơng
tự nh mạch chỉnh lu, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu
thyristor đấu song song ngợc có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng
giống nh nguyên lý của mạch chỉnh lu ba pha hình tia. Vì vậy, ta có thể
hoàn toàn áp dụng các thông số chọn van của mạch chỉnh lu ba pha hình tia
cho mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngợc. Cụ
thể :
Điện áp ngợc lớn nhất trên van :
dmfmaxng
U2U6U ==
ặ
537380.2U
maxng
== (V)
Nhận xét : khi góc điều khiển
= 0 điện áp ra tải là hình sin và nh
vậy, dòng trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định
đợc giá trị dòng điện trung bình qua van.


động, van toả nhiệt rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh hởng đến
hiệu quả cũng nh tuổi thọ của van. Nếu van hoạt động trong điều kiện đợc
làm mát bằng không khí nhờ cánh tản nhiệt thì van có thể làm việc tốt với
25% dòng định mức. Nếu van làm việc trong điều kiện làm mát bằng quạt gió
cỡng bức thì van có thể chịu đợc đến 30
ữ 60% dòng định mức. Nếu làm
mát bằng nớc thì van có thể chịu đợc đến 80% dòng định mức.
Thông thờng trong công nghiệp thì van phải đợc làm mát tồi nhất là
bằng không khí có quạt gió cỡng bức. Trong nhiệm vụ thiết kế là điện này thì
dòng qua van không quá lớn nên ta có thể chọn chế độ làm mát cho van bằng
không khí có quạt gió cỡng bức. Ta chọn các điều 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 ngợc lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ
số dự trữ điện áp
u
k = 1,6 ữ 2
ta chọn :
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 tợng 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
thờng 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, ngời ta cần phải mắc vào trớc van một cuộn dây để hạn chế tốc
độ tăng dòng. Cuộn dây đợc 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 nh bằng
không và lúc này cuộn dây dẫn điện nh một dây dẫn bình thờng.
Ta có mạch nh hình vẽ:
Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch:
U
f
= i.R + L.
dt
di

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

Để đảm bảo an toàn cho van ta phải chọn L sao cho di/dt max phải nhỏ
hơn tốc độ tăng dòng chịu đợc của van, hay là:
dt

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 thờng xẩy ra
ngẫu nhiên nh khi đóng cắt không tải một máy biến áp trên đờng 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
ngời ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor nh hình dới:
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 đờng 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 phơng pháp xác định thông số R, C
bằng đồ thị giải tích, sử dụng những đờng cong đã có sẵn.
Các bớc tính toán nh sau:
- Xác định hệ số quá áp theo công thức:
k =
im
imp
U.b
U

với
imp
U là giá trị cực đại cho phép của điện áp ngợc đặt trên diot
hoặc thyristor một cách không chu kỳ, tra trong sổ tay tra cứu.

im
U là giá trị cực đại của điện áp ngợc thực tế đặt trên
diot hoặc thyristor.
b là hệ số dự trữ an toàn về điện áp, b = 1
ữ 2

.CQ2
LU
RR
Q2
LU
R
im
*
max
im
*
min

trong đó L là điện cảm của mạch RLC
Tuy nhiên, trong thực tế, khi tính toán thiết kế bảo vệ van thì rất khó có
thể có đầy đủ tất cả các đờng cong đặc tính cần thiết nên ngời ta thờng
chọn giá trị của R, C theo kinh nghiệm:
R = 20
ữ 100 ( ) ; C = 0,4 ữ 1 ( F )
Với dòng qua van nhỏ, ta chọn giá trị R lớn, C nhỏ.Với dòng qua van
lớn, ta chọn giá trị R nhỏ, C lớn.
Theo tính toán, dòng qua van bằng 68,6 A không phải là lớn nên ta
chọn giá trị của R, C nh sau:
R = 100

C = 0,47
F ( các giá trị chuẩn)