Thiết Kế Bộ Điều Áp Xoay Chiều Ba Pha Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Điện Trở

Khám phá thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha cho hệ thống điều khiển nhiệt độ lò điện, tối ưu hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Áp Xoay Chiều Ba Pha Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Điện Trở

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU
• 1.1. Tổng quan về lò điện trở
• 1.2. Giới thiệu chung về lò điện
• 1.3. Giới thiệu chung về lò điện trở
• 1.4. Cấu tạo lò điện trở
• 1.5. Giới thiệu chung về bộ điều áp xoay chiều
• 1.6. Các đặc điểm chung về bộ điều áp xoay chiều
• 1.7. Van điều khiển thyristor
• 1.8. Phân tích và chọn sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
• 2.1. Thiết kế mạch lực
• 2.2. Tính chọn van mạch lực (Van thyristor)
• 2.3. Tính chọn các phần tử bảo vệ van
• 2.4. Bảo vệ quá dòng
• 2.5. Bảo vệ quá áp
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển
• 3.2. Cấu trúc mạch điều khiển
• 3.3. Khâu đồng pha
• 3.4. Khâu tạo điện áp răng cưa
• 3.5. Khâu so sánh
• 3.6. Khâu tạo xung
• 3.7. Khâu khuếch đại và biến áp xung
• 3.8. Khâu tạo điện áp điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG
• 4.1. Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển
• 4.2. Mô phỏng và kiểm chứng mạch điều khiển trong các trường hợp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha cho lò

Việc thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển nhiệt độ lò điện trở là một bài toán cốt lõi trong ngành tự động hóa công nghiệp. Lò điện trở, với ưu điểm tạo nhiệt độ cao và khả năng điều khiển chính xác, được ứng dụng rộng rãi từ nhiệt luyện kim loại đến sấy khô trong công nghiệp thực phẩm. Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất tối ưu và chất lượng sản phẩm đồng đều, việc duy trì và ổn định nhiệt độ lò điện trở là yêu cầu bắt buộc. Bộ điều áp xoay chiều sử dụng các van bán dẫn công suất lớn như Thyristor (SCR) chính là giải pháp hiệu quả cho vấn đề này. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là thay đổi giá trị điện áp hiệu dụng cấp cho tải bằng cách điều chỉnh thời điểm kích mở các Thyristor trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp nguồn. Thời điểm này được xác định bởi một thông số gọi là góc kích anpha (α). Bằng cách thay đổi góc α từ 0° đến 180°, công suất cấp cho lò điện trở sẽ được điều chỉnh một cách trơn tru, từ đó kiểm soát chính xác nhiệt độ làm việc. Một hệ thống hoàn chỉnh không chỉ bao gồm mạch công suất mà còn cần một mạch điều khiển tinh vi để tạo ra các xung kích một cách đồng bộ và chính xác. Các thiết bị gia nhiệt công nghiệp hiện đại ngày nay đều ưu tiên sử dụng phương pháp này nhờ tính ổn định, độ tin cậy cao và khả năng tự động hóa dễ dàng, đáp ứng xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa sản xuất.

1.1. Vai trò của việc ổn định nhiệt độ lò điện trở công nghiệp

Trong các quy trình công nghệ cao, việc ổn định nhiệt độ lò điện trở đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Sai lệch nhiệt độ dù chỉ vài độ C cũng có thể làm thay đổi cấu trúc vật liệu, gây ra khuyết tật hoặc làm hỏng toàn bộ mẻ sản phẩm. Ví dụ, trong ngành nhiệt luyện, nhiệt độ không ổn định sẽ dẫn đến độ cứng, độ bền của chi tiết kim loại không đồng đều. Đối với lò sấy công nghiệp, nhiệt độ quá cao có thể làm cháy sản phẩm, trong khi nhiệt độ quá thấp lại không đảm bảo độ khô cần thiết. Do đó, một bộ điều khiển nhiệt độ lò nung chính xác giúp đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra đúng theo biểu đồ công nghệ, tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và nâng cao năng suất.

1.2. Giới thiệu nguyên lý điều khiển góc kích anpha cơ bản

Nguyên lý điều khiển góc kích anpha là nền tảng của các bộ điều áp xoay chiều. Trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp hình sin, Thyristor chỉ cho phép dòng điện chạy qua khi có một xung kích được đưa vào cực điều khiển (G). Góc α là góc lệch pha tính từ thời điểm điện áp nguồn qua điểm 0 cho đến khi xung kích xuất hiện. Nếu α nhỏ (gần 0°), Thyristor được kích mở sớm, phần lớn điện áp nguồn được đưa ra tải, công suất cung cấp là lớn nhất. Ngược lại, khi α lớn (tiến đến 180°), Thyristor được kích mở muộn, phần điện áp đưa ra tải rất nhỏ, công suất gần như bằng không. Bằng cách thay đổi giá trị của α, giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải được điều chỉnh một cách liên tục, đây chính là cơ chế để điều khiển công suất của thiết bị gia nhiệt công nghiệp.

II. Thách thức khi thiết kế bộ điều áp xoay chiều 3 pha

Việc thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp hơn so với mạch một pha. Thách thức lớn nhất là đảm bảo sự hoạt động đồng bộ và cân bằng giữa ba pha. Bất kỳ sự sai lệch nào trong việc phát xung điều khiển cho các Thyristor đều có thể gây ra dòng điện không cân bằng, tạo ra các thành phần sóng hài bậc cao gây nhiễu lưới điện và ảnh hưởng đến các thiết bị khác. Việc lựa chọn sơ đồ mạch lực phù hợp với loại tải và yêu cầu vận hành là cực kỳ quan trọng. Có ba sơ đồ chính thường được xem xét: sơ đồ đấu sao có trung tính, sơ đồ tải đấu tam giác và sơ đồ đấu sao không trung tính. Mỗi sơ đồ có ưu nhược điểm riêng về điện áp ngược đặt lên van, sự phức tạp của mạch điều khiển thyristor 3 pha và tính độc lập giữa các pha. Theo phân tích trong tài liệu gốc, sơ đồ đấu sao không trung tính được lựa chọn vì tính phổ biến và khả năng hoạt động tổng hợp giữa các pha, dù việc tính toán phức tạp hơn. Việc giải quyết các vấn đề về bảo vệ quá dòng, quá áp cho van công suất cũng là một thách thức không nhỏ, đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và bền bỉ.

2.1. Phân tích các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha phổ biến

Có ba sơ đồ chính cho bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha. Sơ đồ đấu sao có trung tính hoạt động như ba bộ điều áp một pha độc lập, đơn giản hóa việc tính toán nhưng có nhược điểm là dòng trong dây trung tính chứa nhiều sóng hài. Sơ đồ tải đấu tam giác yêu cầu cấp xung đồng thời cho hai Thyristor ở hai pha khác nhau, gây khó khăn cho mạch điều khiển. Sơ đồ đấu sao không trung tính, mặc dù phức tạp hơn trong phân tích do sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các pha, lại là lựa chọn phổ biến nhất trong thực tế. Trong sơ đồ này, tại một thời điểm bất kỳ, luôn có ít nhất hai pha dẫn dòng, tạo ra sự hoạt động tổng hợp và ổn định hơn cho các tải công suất lớn như lò điện trở.

2.2. Lựa chọn sơ đồ tối ưu Đấu sao không có dây trung tính

Dựa trên phân tích ưu nhược điểm, tài liệu nghiên cứu đã lựa chọn sơ đồ bộ điều áp xoay chiều ba pha sáu Thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu sao không có dây trung tính. Lựa chọn này được đưa ra vì nó phù hợp với hầu hết các tải ba pha công nghiệp. Mặc dù điện áp ngược đặt lên van bán dẫn là điện áp dây (lớn hơn điện áp pha), việc điều khiển dễ dàng hơn vì chỉ cần quan tâm đến góc α. Dạng sóng điện áp và dòng điện ra tải không sin, nhưng với tải điện trở thuần của lò điện, điều này không ảnh hưởng tiêu cực đến chế độ làm việc. Đây là cấu hình cân bằng giữa hiệu suất, độ phức tạp và tính ứng dụng thực tiễn.

III. Hướng dẫn thiết kế mạch lực cho bộ điều áp xoay chiều

Mạch lực là trái tim của bộ điều áp xoay chiều ba pha, chịu trách nhiệm trực tiếp điều khiển dòng công suất lớn đến lò điện trở. Việc thiết kế mạch lực đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối trong việc tính toán công suất lò điện trở và lựa chọn linh kiện. Thành phần trung tâm của mạch lực là các van công suất, thường là Thyristor (SCR 3 pha), được mắc song song ngược cho mỗi pha. Việc lựa chọn Thyristor phải dựa trên hai thông số quan trọng: dòng điện trung bình và điện áp ngược tối đa mà van phải chịu đựng. Theo tính toán trong tài liệu gốc cho lò công suất 8kW, hiệu suất 0.95, dòng điện mỗi pha là 10.1A. Từ đó, Thyristor T10-12 của Nga được chọn với dòng trung bình 12A và điện áp chịu đựng 1200V, đảm bảo hệ số dự trữ an toàn. Ngoài ra, một khía cạnh cực kỳ quan trọng là thiết kế các mạch bảo vệ. Thyristor rất nhạy cảm với tốc độ tăng dòng (di/dt) và tốc độ tăng áp (du/dt). Để bảo vệ van khỏi bị phá hỏng, mạch RC (Snubber) được mắc song song để hạn chế du/dt, và cuộn kháng nhỏ (La) được mắc nối tiếp để hạn chế di/dt, đảm bảo mạch công suất 3 pha hoạt động ổn định và an toàn.

3.1. Phương pháp tính toán và chọn van công suất SCR 3 pha

Việc lựa chọn van công suất SCR 3 pha là bước quyết định. Đầu tiên, cần xác định dòng hiệu dụng qua tải (It) dựa trên công suất định mức và hiệu suất. Từ đó, tính dòng trung bình qua van (Itbvan = 0,45 * It). Dòng định mức của Thyristor cần chọn phải có hệ số dự trữ, thường gấp 2-3 lần dòng trung bình tính toán. Tương tự, điện áp ngược tối đa mà van phải chịu (Uthyristor) cũng cần có hệ số dự trữ khoảng 1.5-2 lần so với điện áp đỉnh của lưới. Dựa trên công suất 8kW, tài liệu đã tính toán và chọn Thyristor T10-12, một lựa chọn phù hợp cả về thông số kỹ thuật lẫn điều kiện làm mát tự nhiên.

3.2. Thiết kế mạch bảo vệ quá dòng và quá áp cho Thyristor

Thyristor có thể bị phá hỏng bởi hiện tượng tăng áp và tăng dòng đột ngột. Để bảo vệ quá áp (du/dt), một mạch RC mắc song song với van được sử dụng. Tụ điện C sẽ hấp thụ các đỉnh điện áp đột ngột, và điện trở R hạn chế dòng phóng của tụ khi van mở. Theo kinh nghiệm thực tế cho van công suất nhỏ, giá trị R = 68Ω và C = 0,1µF được chọn. Để bảo vệ quá dòng (di/dt), đặc biệt khi tải là thuần trở, một cuộn kháng La được mắc nối tiếp. Dựa trên công thức La ≥ U2max / (di/dt), với các thông số của Thyristor T10-12, giá trị cuộn kháng La = 10µH được tính toán để đảm bảo tốc độ tăng dòng không vượt quá giới hạn cho phép.

IV. Bí quyết thiết kế mạch điều khiển Thyristor 3 pha

Nếu mạch lực là trái tim thì mạch điều khiển chính là bộ não của hệ thống thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha. Nhiệm vụ của nó là tạo ra các xung kích chính xác, đồng bộ và đủ công suất để mở các Thyristor tại đúng góc kích α. Một mạch điều khiển thyristor 3 pha điển hình được xây dựng theo nguyên tắc điều khiển dọc, bao gồm nhiều khâu chức năng liên kết với nhau. Khâu đầu tiên và quan trọng nhất là khâu đồng pha, sử dụng biến áp và mạch khuếch đại thuật toán để tạo ra tín hiệu vuông đồng bộ với điện áp lưới. Tín hiệu này là mốc tham chiếu để xác định điểm bắt đầu của mỗi nửa chu kỳ. Tiếp theo, khâu tạo điện áp răng cưa sẽ tích phân tín hiệu vuông để tạo ra một điện áp tuyến tính giảm dần. Điện áp răng cưa này sau đó được đưa vào khâu so sánh cùng với một điện áp điều khiển (Uđk). Thời điểm điện áp răng cưa bằng điện áp điều khiển chính là lúc một xung được tạo ra, quyết định góc α. Cuối cùng, khâu tạo xung và khuếch đại sẽ định dạng xung này (thường là xung chùm tần số cao) và khuếch đại đủ công suất thông qua biến áp xung để kích mở Thyristor một cách chắc chắn.

4.1. Xây dựng khâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa ZCD

Khâu đồng pha, hay còn gọi là mạch Zero Crossing Detection (ZCD), có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp lưới đi qua điểm 0. Trong thiết kế này, điện áp lưới 380V được hạ áp qua biến áp, sau đó đưa vào một mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) hoạt động ở chế độ so sánh để tạo ra một chuỗi xung vuông đối xứng, đồng bộ hoàn toàn với pha tương ứng. Tín hiệu vuông này sau đó được cấp cho khâu tạo điện áp răng cưa. Khâu này sử dụng một Op-Amp khác mắc theo cấu hình tích phân. Trong nửa chu kỳ dương của xung vuông, tụ điện được nạp tuyến tính tạo ra sườn dốc của điện áp răng cưa. Trong nửa chu kỳ âm, tụ được xả nhanh về 0, sẵn sàng cho chu kỳ tiếp theo.

4.2. Triển khai khâu so sánh tạo xung và khuếch đại công suất

Khâu so sánh sử dụng một Op-Amp để so sánh tức thời giữa điện áp răng cưa (Urc) và điện áp điều khiển (Uđk). Khi Urc > Uđk, đầu ra của Op-Amp ở mức cao. Khi Urc < Uđk, đầu ra ở mức thấp. Sự chuyển trạng thái này tạo ra một xung vuông có độ rộng phụ thuộc vào giá trị Uđk. Xung này sau đó được AND với một bộ tạo dao động tần số cao (khoảng 10kHz) để tạo thành xung chùm, đảm bảo Thyristor được kích hoạt chắc chắn ngay cả với tải có tính cảm. Cuối cùng, xung chùm được khuếch đại công suất bằng transistor và cách ly với mạch lực thông qua biến áp xung, đảm bảo an toàn và chống nhiễu hiệu quả cho mạch điều khiển pha.

V. Kết quả mô phỏng bộ điều áp xoay chiều bằng phần mềm

Để kiểm chứng tính đúng đắn của lý thuyết và các tính toán thiết kế, việc mô phỏng là bước không thể thiếu trong quá trình thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha. Tài liệu gốc đã sử dụng phần mềm chuyên dụng PSIM để xây dựng và chạy mô phỏng cho toàn bộ hệ thống, từ mạch lực đến mạch điều khiển. Kết quả mô phỏng cung cấp cái nhìn trực quan về dạng sóng điện áp và dòng điện tại các điểm khác nhau trong mạch, cho phép đánh giá hoạt động của từng khâu. Đặc biệt, việc thay đổi điện áp điều khiển (Uđk) và quan sát sự thay đổi của góc kích α cũng như dạng sóng điện áp ra tải là mục tiêu chính của quá trình này. Các kết quả mô phỏng Proteus mạch điều khiển nhiệt (hoặc PSIM trong trường hợp này) cho thấy sự tương đồng cao so với lý thuyết. Dạng sóng điện áp trên tải bị cắt tương ứng với góc kích, và giá trị hiệu dụng của điện áp giảm khi góc kích tăng. Các trường hợp mô phỏng với Uđk = 1.43V (α ≈ 45°), Uđk = 2.22V (α ≈ 70°), và Uđk = 3.2V (α ≈ 102°) đều cho ra các đồ thị điện áp ba pha đối xứng, khẳng định mạch điều khiển hoạt động chính xác và đồng bộ.

5.1. Phân tích dạng sóng đầu ra với các góc kích khác nhau

Kết quả mô phỏng trong tài liệu gốc (Chương 4) cho thấy rõ sự phụ thuộc của điện áp ra tải vào góc kích α. Với α ≈ 45°, điện áp ra tải có giá trị hiệu dụng Uhd ≈ 204V. Khi tăng góc kích lên α ≈ 70°, điện áp hiệu dụng giảm xuống còn Uhd ≈ 171V. Và với α ≈ 102°, Uhd chỉ còn khoảng 105V. Các đồ thị điện áp cho thấy rõ các khoảng thời gian có 2 van dẫn hoặc 3 van dẫn xen kẽ, hoàn toàn phù hợp với lý thuyết phân tích cho sơ đồ sao không trung tính. Dạng sóng của các khâu trung gian như điện áp răng cưa, xung so sánh, xung chùm cũng khớp với dự kiến, chứng tỏ đồ án bộ điều áp xoay chiều đã được thiết kế đúng đắn.

5.2. Đánh giá hiệu quả ổn định nhiệt độ lò điện trở qua mô phỏng

Mặc dù mô phỏng không thể hiện trực tiếp nhiệt độ, nó đã chứng minh được khả năng điều chỉnh công suất một cách trơn tru và chính xác của bộ điều khiển công suất thyristor. Bằng cách thay đổi một giá trị điện áp điều khiển nhỏ (từ 2.56V đến 3.2V), hệ thống có thể điều chỉnh góc kích trong dải rộng (từ 80° đến 102°), tương ứng với việc điều chỉnh nhiệt độ lò từ 400°C đến 500°C theo yêu cầu đề bài. Điều này khẳng định giải pháp thiết kế có khả năng đáp ứng tốt yêu cầu ổn định nhiệt độ lò điện trở, tạo tiền đề vững chắc cho việc triển khai trên phần cứng thực tế.

VI. Tổng kết ứng dụng bộ điều áp xoay chiều và hướng đi mới

Đồ án thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển nhiệt độ lò điện trở đã thành công trong việc xây dựng một giải pháp hoàn chỉnh từ lý thuyết, tính toán, thiết kế chi tiết đến kiểm chứng bằng mô phỏng. Hệ thống đã chứng minh được khả năng điều chỉnh công suất chính xác cho các thiết bị gia nhiệt công nghiệp thông qua phương pháp điều khiển góc pha. Giải pháp này không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về ổn định nhiệt độ mà còn mang lại nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, phản ứng nhanh, và độ tin cậy. Tuy nhiên, công nghệ không ngừng phát triển. Hướng đi mới cho các hệ thống này là tích hợp các bộ vi điều khiển thông minh. Việc sử dụng vi điều khiển PIC hoặc các nền tảng phổ biến như Arduino điều khiển nhiệt độ sẽ mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Các vi điều khiển cho phép triển khai các thuật toán điều khiển phức tạp như bộ điều khiển PID nhiệt độ, giúp hệ thống tự động bù trừ sai số, thích ứng với sự thay đổi của môi trường, từ đó đạt được độ chính xác và ổn định cao hơn rất nhiều. Hơn nữa, chúng còn mở ra khả năng giám sát và điều khiển từ xa, kết nối với các hệ thống SCADA, phù hợp với xu hướng nhà máy thông minh của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.

6.1. Tóm lược ưu điểm của hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung

Hệ thống bộ điều khiển nhiệt độ lò nung dựa trên Thyristor có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp cơ học cũ (như dùng công tắc tơ). Các ưu điểm chính bao gồm: điều chỉnh công suất trơn và liên tục, không gây sốc cơ khí; độ chính xác cao; tốc độ đáp ứng nhanh; không có chi tiết chuyển động nên tuổi thọ cao và ít cần bảo trì; kích thước nhỏ gọn. Những ưu điểm này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng tích hợp vào các dây chuyền sản xuất tự động.

6.2. Hướng phát triển Tích hợp vi điều khiển PIC và Arduino

Mạch điều khiển sử dụng linh kiện rời và Op-Amp tuy tin cậy nhưng thiếu đi sự linh hoạt. Hướng phát triển tất yếu là thay thế bằng các giải pháp số hóa. Sử dụng vi điều khiển PIC hoặc Arduino điều khiển nhiệt độ cho phép lập trình và thay đổi thuật toán điều khiển một cách dễ dàng. Một bộ điều khiển PID nhiệt độ có thể được cài đặt để tối ưu hóa quá trình đáp ứng, giảm thiểu vọt lố và sai số xác lập. Hơn nữa, việc tích hợp cảm biến nhiệt như cảm biến nhiệt độ can nhiệt K và giao tiếp số giúp hệ thống trở nên thông minh và chính xác hơn, mở đường cho các ứng dụng giám sát và điều khiển qua mạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU 1. Tổng quan về lò điện trở 1. Giới thiệu chung về lò điện a. 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 + Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện + Nung các vật phẩm trước 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 được dùng để sất, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm + Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v… Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đa dạng: Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.

Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu - Có khả năng tạo được nhiệt độ cao - Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao - Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ - Kín Sinh viên thực hiện: Vũ Thị Thanh Thư 2 Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm - Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ c. Nhược điểm của lò điện - Năng lượng điện đắt - Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng 1. Giới thiệu chung về lò điện trở a. Nguyên lý làm việc của lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: Q = I2RT (1.

0) Trong đó: Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J) I - Dòng điện tính bằng Ampe (A) R - Điện trở tính bằng Ôm (Ω) 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. Những vật liệu dùng làm dây nung  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 yêu cầu sau: - Chịu nóng tốt, ít bị oxy hóa ở nhiệt độ cao Sinh viên thực hiện: Vũ Thị Thanh Thư 3 Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha - 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 thước phải không thay đổi khi sử dụng - Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn  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 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 - Bị oxy hóa mạnh trong môi trường khí quyển 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 dung phổ biến là SiC, Grafit và than. Cấu tạo lò điện trở a. Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện  Hợp lý về công nghệ Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công nghệ yêu cầu mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ khác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công và làm 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 điện 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 khi các thông số của nó xác định (kích thước ngoài, công suất, trọng lượng, giá thành, …). 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… là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả Sinh viên thực hiện: Vũ Thị Thanh Thư 4 Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha 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… 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 điện. 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 xuất chung. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chyền 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 lò ngừng đột ngột (nghĩa là phá hủy chế độ làm việc bình thường của nó) có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên liệu 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 năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường. 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…  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 lượng 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.  Rẻ và đơn giản khi chế tạo Về mặt này yêu cầu: - Tiêu hao vật liệu ít, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm (các kim loại màu, các hợp kim có hàm lượng niken cao…) - Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày công ít nhất và tận dụng được các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo để gia công. Sinh viên thực hiện: Vũ Thị Thanh Thư 5 Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha - 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.  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 nhìn. Tuy nhiên 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 bên ngoài của lò điện. Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết. Cấu tạo lò điện trở Hình 1. Hình ảnh lò điện trở dạng lò giếng Sinh viên thực hiện: Vũ Thị Thanh Thư 6 Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha Hình 1.1 thể hiện hình ảnh và kết cấu lò điện trở dạng lò giếng.

Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung.  Vỏ lò Vỏ lò điện trở 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, 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 thường 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.