THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐIỀU
CHỈNH VÀ KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ
LỀ ĐIỆN TRỞ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MễN HỌC
ĐỀ TÀI
ĐIỀU CHỈNH VÀ KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ Lề ĐIỆN TRỞ 1. Đầu đề thiết kế :
Thiết kế bộ điều chỉnh và tự động khống chế nhiệt độ lũ điện trở
2. Người thực hiện :
Họ và tờn Tạ Doón Hải Bằng
Lớp Tự Động Hoỏ 1
Khoỏ 43
Giỏo viờn hướng dẫn Phạm Quốc Hải
Năm thực hiện : 2001
3. Ngày giao đồ ỏn mụn học :
4. Ngày hoàn thành đồ ỏn : Ngày thỏng năm
GIÁO VIấN HƯỚNG DẪN
(Ký ghi rừ họ tờn )

3. Cỏc bản vẽ :
Bản vẽ tổng thể toàn bộ sơ đồ nguyờn lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch
điều khiển ) trờn giấy vẽ kỹ thuật khổ A2.
MỤC LỤC

Lời mở đầu 1
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và
nguyờn lý làm việc của lũ điện 2
1. Giới thiệu chung về lũ điện
2. Giới thiệu chung về lũ điện trở
3. Cấu tạo lũ điện trở
Chương 2: Giới thiệu chung về
mạch điều ỏp xoay chiều ba pha
1. Mạch điều ỏp xoay chiều
2. Quan hệ giữa gúc điều khiển và cụng suất ra tải
Chương 3: Thiết kế và tớnh toỏn mạch lực
1. Tớnh toỏn chọn van bỏn dẫn
2. Tớnh toỏn bảo vệ van bỏn dẫn
Chương 4: Thiết kế và tớnh toỏn mạch điều khiển
1. Nguyờn lý chung của mạch điều khiển
2. Thiết kế và tớnh toỏn mạch điều khiển
2-1. Khõu đồng pha
2-2. Khõu tạo điện ỏp răng cưa (U
tựa
)
2-3. Khõu so sỏnh
2-4. Khõu phỏt xung chựm
2-5. Chọn cổng AND
2-6. Khõu khuếch đại xung và biến ỏp xung
2-7. Khõu phản hồi

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ
NGUYấN Lí LÀM VIỆC CỦA Lề ĐIỆN

I-Giới thiệu chung về lũ điện
1 - Định nghĩa
Lũ điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dựng trong
cỏc quỏ trỡnh cụng nghệ khỏc nhau như nung hoặc nấu luyện cỏc vật liệu,
cỏc kim loại và cỏc hợp kim khỏc nhau v.v
- Lũ điện được sử dụng rộng rói trong cỏc lĩnh vực kỹ thuật :
+ Sản xuất thộp chất lượng cao
+ Sản xuất cỏc hợp kim phe-rụ
+ Nhiệt luyện và hoỏ nhiệt luyện
+ Nung cỏc vật phẩm trước khi cỏn, rốn dập, kộo sợi
+ Sản xuất đỳc và kim loại bột
- Trong cỏc lĩnh vực cụng nghiệp khỏc :
+ Trong cụng nghiệp nhẹ và thực phẩm, lũ điện được dựng để sất, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong cỏc lĩnh vực khỏc, lũ điện được dựng để sản xuất cỏc vật phẩm
thuỷ tinh, gốm sứ, cỏc loại vật liệu chịu lửa v.v
Lũ điện khụng những cú mặt trong cỏc ngành cụng nghiệp mà ngày càng
được dựng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một
cỏch phong phỳ và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bỡnh đun nước
điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v
2 - Ưu điểm của lũ điện so với cỏc lũ sử dụng nhiờn liệu
Lũ điện so với cỏc lũ sử dụng nhiờn liệu cú những ưu điểm sau :
- Cú khả năng tạo được nhiệt độ cao
- Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao
- Đảm bảo nung đều và chớnh xỏc do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ
- Kớn
- Cú khả năng cơ khớ hoỏ và tự động hoỏ quỏ trỡnh chất dỡ nguyờn liệu và

Dõy nung là bộ phận phỏt nhiệt của lũ, làm việc trong những điều kiện
khắc nghiệt do đú đũi hỏi phải đảm bảo cỏc yều cầu sau :
+ Chịu núng tốt, ớt bị ụxy hoỏ ở nhiệt độ cao
+ Phải cú độ bền cơ học cao, khụng bị biến dạng ở nhiệt độ cao
+ Điện trở suất phải lớn
+ Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ
+ Cỏc tớnh chất điện phải cố định hoặc ớt thay đổi
+ Cỏc kớch thước phải khụng thay đổi khi sử dụng
+ Dễ gia cụng, dễ hàn hoăc dễ ộp khuụn
b)- Dõy nung kim loại
Để đảm bảo yờu cầu của dõy nung, trong hầu hết cỏc lũ điện trở cụng
nghiệp, dõy nung kim loại đều được chế tạo bằng cỏc hợp kim Crụm-Nhụm
và Crụm-Niken là cỏc hợp kim cú điện trở lớn. Cũn cỏc kim loại nguyờn chất
được dựng để chế tạo dõy nung rất hiếm vỡ cỏc kim loại nguyờn chất thường
cú những tớnh chất khụng cú lợi cho việc chế tạo dõy nung như :
+ Điện trở suất nhỏ
+ Hệ số nhiệt điện trở lớn
+ Bị ụxy hoỏ mạnh trong mụi trường khớ quyễn bỡnh thường
Dõy nung kim loại thường được chế tạo ở dạng trũn và dạng băng
c) - Dõy nung phi kim loại
Dõy nung phi kim loại dựng phổ biến là SiC, grafit và than.
III-Cấu tạo lũ điện trở
I- Những yờu cầu cơ bản đối với cấu tạo lũ điện
1 - Hợp lý về cụng nghệ
Hợp lý về cụng nghệ cú nghĩa là cấu tạo lũ khụng những phự hợp với
quỏ trỡnh cụng nghệ yờu cầu mà cọn tớnh đến khả năng sử dụng nú đối với
quỏ trỡnh cụng nghệ khỏc nếu như khụng làm phức tạp quỏ trỡnh gia cụng và
làm tăng giỏ thành một cỏch rừ rệt. Cấu trỳc lũ đảm bảo được cỏc điều kiện
như thế mới coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu
cầy về lũ điện vượt xa khả năng sản xuất ra nú.

- Bảo quản dễ dàng. Kiểm tra và sửa chữa tất cả cỏc 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 yờu cõu như sau :
- Tiờu hao vật liệu ớt nhất, đặc biệt là cỏc vật liệu quớ và hiếm ( cỏc kim
loại mầu, cỏc hợp kim cú hàm lượng niken cao v.v )
- Cụng nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày
cụng ớt nhất và tận dụng đưọc cỏc thiết bị, dụng cụ thụng thường cú sẵn
trong cỏc nhà mỏy chế tạo để gia cụng.
- Cỏc loại vật liệu và thiết bị yờu cầu để chế tạo phải ớt nhất.
- Sử dụng đến mức tối đa cỏc kết cấu giống nhau và cựng loại để dễ dàng
đổi lẫn và thuận tiện khi lắp rỏp.
- Chọn hợp lý cỏc dạng gia cụng để phự hợp với điều kiện chế tạo ( đỳc,
hàn, dập ). Bỏ cỏc chi tiết và cỏc khõu gia cụng cơ khớ khụng hợp lý.
6 - Hỡnh dỏng bề ngoài đẹp
Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, cỏc khõu và cỏc chi tiết phải cú hỡnh
dỏng và tỷ lệ cỏc cạnh phự hợp, dễ coi. Tuy vậy cũng cần chỳ ý rằng, độ bền
của kết cấu khi trọng lượng nhỏ và hỡnh dỏng bề ngoài đẹp cú quan hệ khăng
khớt với nhau.
Việc gia cụng lần chút như sơn cú vai trũ đặc biệt quan trọng đối với
hỡnh dỏng bề ngoài của lũ điện. Song cũng cần trỏnh sự trang trớ khụng cần
thiết.
II - Cấu tạo lũ điện trở
Lũ điện trở thụng thường gồm ba phần chớnh : vỏ lũ, lớp lút và dõy
nung.
1 - Vỏ lũ
Vỏ lũ điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị tải trọng trong
quỏ trỡnh làm việc của lũ. Mặt khỏc vỏ lũ cũng dựng để giữ lớp cỏch nhiệt

Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo cỏc yờu cầu sau :
+ Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lũ.
+ Cú độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
+ Cú 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 dõy nung bền và chắc chắn.
+ Cú đủ độ bền hoỏ học khi làm việc, chịu được tỏc dụng của khớ quyển
lũ và ảnh hưởng của vật nung.
+ Đảm bảo khả năng tớch nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng
đối với lũ làm việc chu kỳ.
Phần cỏch nhiệt thường nằm giữa vỏ lũ và phần vật liệu chịu lửa. Mục
đớch chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riờng đối với đỏy, phần
cỏch nhiệt đũi hỏi phải cú độ bền cơ học nhất định cũn cỏc phần khỏc núi
chung khụng yờu cầu.
Yờu cầu cơ bản của phần cỏch nhiệt là :
+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
+ Khả năng tớch nhiệt cực tiểu
+ Ổn định về tớnh chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xỏc định.
Phần cỏch nhiệt cú thể xõy bằng gạch cỏch nhiệt, cú thể điền đầy bằng
bột cỏch nhiệt.
3 - Dõy nung
Theo đặc tớnh của vật liệu dựng làm dõy nung, người ta chia dõy nung
làm hai loại : dõy nung kim loại và dõy nung phi kim loại.
Trong cụng nghiệp, cỏc lũ điện trở dựng phổ biến là dõy nung kim loại.
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH ĐIỀU ÁP
XOAY CHIỀU BA PHAI - Mạch điều ỏp xoay chiều ba pha :

được phỏt xung điều khiển lệch nhau gúc 180 độ điện để đảm bảo dũng qua
cặp van là hoàn toàn đối xứng.
Một ưu điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngược
nhau thay thế cho triac trong nạch điều ỏp xoay chiều là khả năng điều khiển
để mở và khoỏ thyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac.
Ta cú đồ thị dạng điện ỏp ra của mạch điều ỏp xoay chiều :
Cỏc mạch điều ỏp xoay chiều cú nhược điểm cơ bản là trong quỏ trỡnh
điều chỉnh, mạch luụn làm việc ở chế độ dũng điện giỏn đoạn, cả dạng dũng
điện và điện ỏp ra tải đều khụng sin nờn chỉ phự hợp với cỏc tải loại điện trở
như lũ điện trở , búng đốn loại sợi đốt v v Dũng điện sẽ liờn tục và đồng
thời trở thành hỡnh sin hoàn chỉnh chỉ khi điện ỏp ra tải lấy bằng điện ỏp
nguồn. Như vậy, khi điều chỉnh trờn tải nhận được một dải n súng hài hỡnh
sin. Mặc dự vậy, với tải là điện trở thuần của lũ điện trở thỡ việc dạng điện ỏp
ra tải khụng sin cũng khụng ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lũ. Cỏc mạch
điều ỏp xoay chiều khụng phự hợp với tải dạng cảm khỏng như biến ỏp hoặc
động cơ điện, nờn chỉ dựng khi phạm vi điều chỉnh điện ỏp khụng lớn.
Trong thực tế cụng nghiệp, cỏc mạch điều ỏp xoay chiều thường sử
dụng là cỏc mạch điều ỏp xoay chiều ba pha, tải mắc hỡnh sao( Y ) hoặc tải
hỡnh tam giỏc ( ). Quỏ trỡnh làm việc của mạch điều ỏp xoay chiều ba pha
phức tạp hơn nhiều so với mạch một pha vỡ ở đõy cỏc pha ảnh hưởng mạnh
Δ
sang nhau và nú cũn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, gúc điều
khiển cụ thể, tớnh chất tải
Hỡnh trờn là sơ đồ thường dựng nhất, đú là sơ đồ cú sỏu thyristor đấu
thành ba cặp song song ngược.

II - Quan hệ giữa gúc điều khiển và cụng suất ra tải

Khi phõn tớch hoạt động của sơ đồ ta cần xỏc định rừ xem trong cỏc
giai đoạn sẽ cú bao nhiờu van dẫn và nhờ cỏc quy luật dưới đõy ta cú thể cú

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

trong đú : là biờn độ điện ỏp dõy.
dm
U
ϕ là gúc lệch pha giữa điện ỏp và dũng điện ở giai đoạn đang xột.
Tuỳ thuộc vào gúc điều khiển mà cỏc giai đoạn cú ba van dẫn hoặc hai
van dẫn cũng thay đổi theo. Ta thấy cú ba khoảng điều khiển chớnh :
1)
Khoảng dẫn của van ứng với α = 0 ÷ :
o
60
Trong phạm vi này sẽ cú cỏc giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ
nhau như đồ thị dưới đõy :

Dựa vào đồ thị ta cú thể xỏc định được biểu thức liờn quan giữa cụng
suất ra tải P và gúc điều khiển α :
R.I.3P
2
=
=

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

o
90
Trong phạm vi này luụn chỉ cú cỏc giai đoạn hai van dẫn. Ta cú đồ thị
điện ỏp ra ở dưới :

Dựa vào đồ thị ta cú thể xỏc định được biểu thức liờn quan giữa cụng
suất ra tải P và gúc điều khiển α :
R.I.3P
2
=
=
]d
4
sin
d
4
sin
[
R
U3
36
5
32
36
5
32
22
2
dm
θ

[
R
U3
2
dm
α+α+
π
π
(2)

3)
Khoảng van dẫn ứng với α = 90 ÷ :
o
150
Trong phạm vi này chỉ cú cỏc giai đoạn hai van dẫn hoặc khụng cú van
nào dẫn xen kẽ nhau. Ta cú đồ thị điện ỏp ra như ở dưới :

Dựa vào đồ thị ta cú thể xỏc định được biểu thức liờn quan giữa cụng
suất ra tải P và gúc điều khiển α :
R.I.3P
2
=
=
∫∫

]2sin
16
1
2cos
16
3
424
5
[
R
U3
2
dm
α+α+
α
−
π
π
(3)
Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và cho cỏc giỏ trị α khỏc nhau và lấy P ở
α = 0 là 100% ta cú bảng cỏc giỏ trị và đồ thị biểu diễn quan hệ giữa cụng
suất ra tải P và gúc điều khiển α : α
P%
α

Cỏc biểu thức thể hiện quan hệ giữa cụng suất ra tải P và gúc điều
khiển α :
Với α = 0 ÷ :
o
60
P =
]
8
2sin
46
[
R
U3
2
dm
α
+
α
−
π
π

Với α = 60 ÷ 90
o
:
P =
]2cos
16
3
2sin

α
−
π
πCụng suất định mức của lũ điện là = 40 (kw)
dm
P
Tổn hao của lũ điện
P
Δ
= 3 (kw)
Trong thực tế, lũ điện cú thể coi là hộ tiờu dựng điện loại một, nghĩa là
nguồn cung cấp cho lũ điện là ổn định. Tuy nhiờn, để đảm bảo hiệu quả cũng
như sự an toàn trong hoạt động của lũ điện, ta sẽ chọn một lượng cụng suất dự
trữ cho lũ điện đề phũng trường hợp điện ỏp nguồn vỡ một lý do nào đú bị sụt
ỏp . Ngoài ra, trong quỏ trỡnh hoạt độngcua mỡnh, lũ điện cũng chịu thờm
một số tổn thất khỏc như tổn thất trờn cỏc van bỏn dẫn, tổn thất trờn đường
dõy nhưng do khụng đỏng kể so với tổng tổn thất vỡ nhiệt của lũ nờn ta cú
thể bỏ qua.
Khi α = 0 thỡ điện ỏp ra tải là hỡnh sin hoàn toàn và đồng thời cụng
suất ra tải cũng đạt cụng suất lớn nhất P = vỡ vậy để đảm bảo đủ bự cỏc
tổn hao đó núi ở trờn ta chọn cụng suất lớn nhất của lũ ứng với khi gúc điều
khiển α = 0 là :
max
P
P = = 50 (kw)
max
P

đấu song song ngược cú nguyờn lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống
như nguyờn lý của mạch chỉnh lưu ba pha hỡnh tia. Vỡ vậy, ta cú thể hoàn
toàn ỏp dụng cỏc thụng số chọn van của mạch chỉnh lưu ba pha hỡnh tia cho
mạch điều ỏp xoay chiều ba pha sỏu thyristor đấu song song ngược. Cụ thể :
Điện ỏp ngược lớn nhất trờn van :
dmfmaxng
U2U6U ==

Æ
537380.2U
maxng
==
(V)
Nhận xột : khi gúc điều khiển
α = 0 điện ỏp ra tải là hỡnh sin và như
vậy, dũng trung bỡnh qua van lỳc này là lớn nhất. Từ đõy ta cú thể xỏc định
được giỏ trị dũng điện trung bỡnh qua van.
∫
π
θ
π
=
0
maxmaxtb
sinI
2
1
I

(do tải thuần trở nờn i trựng pha với u )

tb
I
=
%40
I
maxtb
=
%40
6,68

= 172 ( A )
Để chọn giỏ trị của điện ỏp ngược lớn nhất trờn van, ta sẽ chọn thờm hệ
số dự trữ điện ỏp = 1,6 ÷ 2
u
k
ta chọn : = 1,6
u
k
ng
U
= . = 1,6 . 537
u
k
maxng
U
= 860 (V)
Từ cỏc giỏ trị của và , tra trong sổ tay ta chọn được van C358 do
hóng G.E của Mỹ chế tạo với cỏc thụng số sau :
tb
I

Để tớnh toỏn giỏ trị của cuộn khỏng ta xột quỏ trỡnh quỏ độ trong
mạch:
U = i.R + L.
f
dt
di

Ta thấy rằng tốc độ tăng dũng 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 dũng chịu được của van, hay là:
dt
di
max < 200 A/μs
Æ
L
U
f
< 200 A/μs
ÆL >
6
f
10.200
U

-
Xỏc định hệ số quỏ ỏp theo cụng thức:
k =
im
imp
U.b
U

với là giỏ trị cực đại cho phộp của điện ỏp ngược đặt trờn diot
hoặc thyristor một cỏch khụng chu kỳ, tra trong sổ tay tra cứu.
imp
U
là giỏ trị cực đại của điện ỏp ngược thực tế đặt trờn
diot hoặc thyristor.
im
U
b là hệ số dự trữ an toàn về điện ỏp, b = 1 ÷ 2
-
Xỏc định cỏc thụng số trung gian:
)k(C
*
min
, ,
)k(R
*
max
)k(R
*
min
bằng cỏch tra trong đồ thị trong sổ tay tra cứu