Tài liệu Kỹ thuật: Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiểnnhiệt

Tài liệu nghiên cứu Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiểnnhiệt độ lò điện trở, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Vũ Thị Thanh Thư
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Điệp
• Trường học: Trường Đại học Điện Lực
• Chuyên ngành: Điện tử công suất
• Đề tài: Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển nhiệt độ lò điện trở
• Loại tài liệu: Báo cáo đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về lò điện trở và bộ điều áp xoay chiều

Lò điện trở là thiết bị điện quan trọng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại. Bộ điều áp xoay chiều ba pha giữ vai trò then chốt trong việc điều khiển nhiệt độ lò điện trở từ 400˚C đến 500˚C. Hệ thống này hoạt động với nguồn xoay chiều 3 pha 3x380V, tần số 50Hz, cung cấp công suất từ 6kW đến 9kW tùy theo yêu cầu ứng dụng. Thiết kế bộ điều áp cần đảm bảo an toàn, chính xác và hiệu suất cao. Với sự phát triển của công nghệ điều khiển tự động, việc nâng cao chất lượng điều khiển lò điện trở trở thành yêu cầu bắt buộc trong quá trình sản xuất công nghiệp hiện đại.

1.1. Khái niệm lò điện trở

Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua phần tử điện trở. Loại lò này được ứng dụng phổ biến trong các quá trình nung, sấy, nấu chảy và xử lý vật liệu. Cấu tạo lò bao gồm: vỏ lò, phần tử điện trở, hệ thống điều khiển nhiệt độ và cảm biến đo lường. Lò điện trở có ưu điểm là dễ điều khiển, chuyển đổi năng lượng hiệu quả, không gây ô nhiễm môi trường.

1.2. Vai trò của bộ điều áp trong hệ thống

Bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển công suất cung cấp cho lò điện trở bằng cách thay đổi góc dẫn thyristor. Hệ thống này cho phép điều chỉnh điện áp ra từ 0 đến 380V, từ đó kiểm soát nhiệt độ lò một cách chính xác. Mạch điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, so sánh với giá trị cài đặt và phát ra xung điều khiển để điều chỉnh công suất cấp cho lò.

II. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động bộ điều áp

Bộ điều áp xoay chiều ba pha bao gồm mạch lực và mạch điều khiển. Mạch lực sử dụng thyristor (van điều khiển) để điều chỉnh công suất. Thyristor là thiết bị bán dẫn có khả năng đóng/mở dòng điện AC với tốc độ cao. Khi góc dẫn (α) thay đổi từ 0˚ đến 180˚, điện áp trung bình ở tải cũng thay đổi theo. Mạch điều khiển bao gồm các khâu: đồng pha, tạo điện áp răng cưa, so sánh, tạo xung và khuếch đại xung. Nguyên tắc hoạt động dựa trên việc so sánh tín hiệu điều khiển với điện áp răng cưa để tạo ra xung kích thích cho thyristor.

2.1. Mạch lực và vai trò van thyristor

Mạch lực là phần cung cấp công suất cho lò điện trở. Van thyristor là linh hồn của mạch lực, đóng vai trò chuyển mạch dòng AC. Thyristor có ba cực: Cathode (K), Anode (A) và Gate (G). Khi nhận được xung kích thích trên Gate, thyristor sẽ dẫn điện cho đến khi dòng điện qua nó bằng không (trong nửa chu kỳ tiếp theo). Việc chọn van thyristor phải đảm bảo dòng định mức, hiệu suất và khả năng chịu thế áp.

2.2. Mạch điều khiển và các khâu chức năng

Mạch điều khiển là bộ não của hệ thống. Khâu đồng pha nhận điện áp mains để cung cấp tín hiệu đồng bộ. Khâu tạo điện áp răng cưa sinh ra tín hiệu so sánh tuyến tính. Khâu so sánh lấy tín hiệu điều khiển so với điện áp răng cưa để xác định thời điểm kích thích. Khâu tạo xung chùm sản xuất xung kích thích ba pha. Khâu khuếch đại cung cấp công suất đủ để điều khiển thyristor.

III. Thiết kế mạch lực và bảo vệ

Thiết kế mạch lực phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu an toàn. Tính toán chọn van thyristor dựa trên công suất cần điều khiển, điện áp định mức (380V ba pha) và dòng định mức. Với công suất từ 6kW đến 9kW, cần chọn thyristor có dòng định mức tối thiểu. Bảo vệ quá dòng được thực hiện bằng cầu chì nhanh hoặc relay nhiệt từ. Bảo vệ quá áp sử dụng mạch RC hoặc varistor để bảo vệ thyristor khỏi xung điện áp tạo ra bởi dU/dt cao. Diode bảo vệ được mắc song song thyristor để bảo vệ khỏi điện áp ngược.

3.1. Tính toán và chọn van thyristor

Dòng điện tải được tính từ công suất và điện áp pha tải: I = P/(√3 × U × cosφ). Với công suất 8kW, hiệu suất 0,95 và điện áp 380V, dòng tải khoảng 12A. Dòng định mức thyristor phải cao hơn dòng tải tối đa ít nhất 1,5 lần. Thyristor T10-12 của Nga có dòng định mức 10A, áp định mức 1200V, phù hợp cho ứng dụng này. Điện áp gate (cổng) thường là 2-5V, dòng gate 100-200mA.

3.2. Các phần tử bảo vệ va điều kiện hoạt động an toàn

Mạch bảo vệ quá dòng sử dụng cầu chì nhanh gG với dòng định mức 16A-20A, bảo vệ cả mạch lực và các linh kiện. Mạch RC bảo vệ được mắc song song thyristor để hạn chế dU/dt, thường sử dụng R=100Ω, C=0.1μF. Varistor (MOV) bảo vệ quá áp cho đầu vào van. Diode bảo vệ (flywheel) đảm bảo dòng ngược được thoát an toàn khi thyristor tắt.

IV. Tính toán thiết kế mạch điều khiển và mô phỏng

Mạch điều khiển được thiết kế với các IC logic và linh kiện điện tử độ tin cậy cao. Khâu đồng pha sử dụng cảm biến quang hoặc transformer để nhận tín hiệu 50Hz. Khâu tạo điện áp răng cưa dùng IC 555 hoặc Op-Amp để tạo tín hiệu ramp. Khâu so sánh dùng Op-Amp so sánh tín hiệu điều khiển (từ cảm biến PID) với điện áp răng cưa. Khâu tạo xung dùng logic gate để tạo xung chùm cho ba pha. Mô phỏng SPICE kiểm chứng mạch điều khiển với các giá trị điện áp điều khiển khác nhau (1.43V, 2.22V, 3.2V tương ứng 45˚, 70˚, 90˚).

4.1. Thiết kế các khâu chức năng mạch điều khiển

Khâu đồng pha lấy điện áp một pha 380V, hạ thế xuống ~12V qua transformer, chỉnh lưu và lọc. Khâu tạo điện áp răng cưa sử dụng IC 555 ở chế độ astable, tạo tín hiệu tam giác 1kHz-2kHz. Khâu so sánh dùng LM393 so sánh hai tín hiệu analog, output là xung vuông. Khâu tạo xung chùm dùng FF JK hoặc IC 4017 để tạo xung ba pha cách nhau 120˚.

4.2. Mô phỏng và kiểm chứng kết quả

Mô phỏng OrCAD/PSpice thực hiện với mô hình thyristor và beamload. Khi điện áp điều khiển Uđk = 1.43V (~45˚), điện áp trung bình tải đạt ~180V. Uđk = 2.22V (~70˚) cho điện áp ~235V. Uđk = 3.2V (~90˚) cho điện áp ~268V. Đồ thị mô phỏng cho thấy điện áp ra tải của ba pha cân bằng và ổn định. Kiểm chứng xác nhận thiết kế mạch đáp ứng yêu cầu điều khiển nhiệt độ 400-500˚C.

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 lOMoARcPSD|17160101 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 lOMoARcPSD|17160101 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 lOMoARcPSD|17160101 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 lOMoARcPSD|17160101 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 lOMoARcPSD|17160101 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.