Thiết Kế Lò Điện Trở và Bộ Điều Áp Xoay Chiều Ba Pha

Báo cáo đồ án môn học điện tử công suất thiết kế lò điện sử dụng điều áp xoay chiều ba pha, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Lò Điện Trở và Bộ Điều Áp Xoay Chiều Ba Pha
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VẺ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIÊU ÁP XOAY CHIEU
• 1.1. Tổng quan về lò điện trở
• 1.2. Giới thiệu chung về lò điện
• 1.3. Giới thiệu chung về bộ điều áp xoay chiều
• 1.4. Các đặc điểm chung về bộ điều áp xoay chiều
• 1.5. Van điều khiển thyristor
• 1.6. 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 dao về
• 2.4. Bảo vệ quá dòng
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIÊU KHIẾN
• 3.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển
• 3.2. Cấu trúc mạch điều khiển
• 3.3. Khâu tạo điện áp răng cưa
• 3.4. Khâu so sánh
• 3.5. Khâu khuếch đại và biến áp xung
• 3.6. Khâu tạo điện áp điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHÒNG KIẾM 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. Hướng Dẫn Toàn Diện Thiết Kế Lò Điện Trở và Bộ Điều Áp

Thiết kế một hệ thống lò điện trở công nghiệp hiệu quả đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa hai thành phần cốt lõi: kết cấu lò nhiệt và bộ điều khiển công suất. Tài liệu này trình bày một cách tiếp cận toàn diện, bắt đầu từ những nguyên lý nền tảng của lò điện trở đến việc lựa chọn và thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng Thyristor (SCR). Mục tiêu là đạt được khả năng điều khiển nhiệt độ chính xác, ổn định và tiết kiệm năng lượng. Lò điện trở hoạt động dựa trên định luật Joule-Lenz, biến điện năng thành nhiệt năng để phục vụ các quy trình công nghệ như nung, tôi, luyện kim. Trong khi đó, bộ điều áp xoay chiều ba pha đóng vai trò là "trái tim" của hệ thống, có nhiệm vụ điều chỉnh công suất cung cấp cho lò một cách linh hoạt. Việc sử dụng các van bán dẫn công suất cao như Thyristor cho phép thay đổi điện áp ra tải bằng phương pháp điều khiển pha, thông qua việc điều chỉnh góc kích alpha. Một thiết kế tối ưu không chỉ đảm bảo hiệu suất kỹ thuật mà còn phải xem xét đến độ bền, tính an toàn và khả năng tự động hóa. Quá trình thiết kế bao gồm nhiều giai đoạn, từ việc phân tích yêu cầu công nghệ, tính toán công suất lò nung, lựa chọn vật liệu, thiết kế mạch lực, mạch điều khiển, cho đến mô phỏng và kiểm chứng. Tài liệu gốc "Đồ án môn học Điện tử công suất" của Trường Đại học Điện Lực là cơ sở chính cho các phân tích kỹ thuật, cung cấp các thông số và sơ đồ mạch chi tiết, đảm bảo tính chính xác và khả thi của giải pháp được trình bày.

1.1. Nguyên lý hoạt động cốt lõi của lò điện trở công nghiệp

Nguyên lý làm việc của lò điện trở công nghiệp dựa trên hiệu ứng nhiệt Joule-Lenz. Theo định luật này, khi một dòng điện (I) chạy qua một vật dẫn có điện trở (R) trong một khoảng thời gian (T), một lượng nhiệt (Q) sẽ được tỏa ra, được tính bằng công thức Q = I²RT. Trong thiết kế lò nung gián tiếp, bộ phận phát nhiệt chính là các dây nung kim loại hoặc phi kim loại. Các dây nung này được nung nóng đến nhiệt độ cao và truyền nhiệt cho vật cần nung thông qua các cơ chế truyền nhiệt bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt. Yêu cầu đối với vật liệu làm dây nung rất khắt khe, bao gồm điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở nhỏ, độ bền cơ học và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Các hợp kim như Crôm-Nhôm và Crôm-Niken (thường được biết đến với tên thương mại Kanthal) được sử dụng phổ biến nhờ đáp ứng tốt các yêu cầu này.

1.2. Vai trò của bộ điều áp xoay chiều ba pha dùng Thyristor

Bộ điều áp xoay chiều ba pha là một thiết bị điện tử công suất then chốt, cho phép thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều cấp ra tải từ một nguồn cố định mà không làm thay đổi tần số. Trong ứng dụng lò điện trở, nó cho phép điều khiển chính xác công suất nhiệt. Sơ đồ sử dụng sáu Thyristor (SCR) mắc song song ngược, đấu sao không trung tính, là lựa chọn phổ biến nhất. Nguyên lý điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển pha: bằng cách trì hoãn thời điểm kích mở Thyristor một góc (gọi là góc kích alpha) so với thời điểm điện áp lưới qua không, giá trị điện áp hiệu dụng ra tải sẽ thay đổi. Góc alpha càng lớn, công suất ra tải càng nhỏ và ngược lại. Ưu điểm của phương pháp này là phản ứng nhanh, dễ tự động hóa và hiệu suất cao. Tuy nhiên, một nhược điểm cố hữu là làm méo dạng sóng điện áp ra tải, tạo ra các sóng hài bậc cao.

1.3. Lựa chọn vật liệu cách nhiệt và cảm biến nhiệt độ

Hiệu suất của lò điện trở phụ thuộc rất lớn vào khả năng giữ nhiệt, do đó việc lựa chọn vật liệu cách nhiệt là cực kỳ quan trọng. Lớp lót lò thường bao gồm hai phần: vật liệu chịu lửa tiếp xúc trực tiếp với môi trường nhiệt độ cao và lớp cách nhiệt bên ngoài. Gạch chịu lửa, gạch samốt và các loại bột đầm chịu lửa được dùng cho lớp trong. Lớp ngoài sử dụng các vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp như bông gốm ceramic, bông khoáng để giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường. Để giám sát và điều khiển nhiệt độ, việc lựa chọn cảm biến là bắt buộc. Với dải nhiệt độ từ 400°C đến 500°C như trong đề tài tham khảo, cảm biến nhiệt độ loại K (Cặp nhiệt điện Cromel-Alumel) là một lựa chọn phù hợp nhờ dải đo rộng, độ bền cao và chi phí hợp lý.

II. Bí Quyết Tính Toán Mạch Lực Cho Lò Điện Trở An Toàn

Mạch lực là thành phần chịu tải chính, trực tiếp kết nối nguồn điện ba pha với các dây nung của lò. Việc tính toán thiết kế mạch lực không chỉ dừng lại ở việc chọn các van công suất đủ khả năng chịu dòng và áp, mà còn phải đặc biệt chú trọng đến các biện pháp bảo vệ để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và bền bỉ. Một sai sót trong khâu này có thể dẫn đến hỏng hóc các linh kiện bán dẫn đắt tiền và gây nguy hiểm. Trọng tâm của mạch lực là các van Thyristor. Việc lựa chọn Thyristor phải dựa trên các thông số tính toán cẩn thận như dòng điện trung bình, dòng điện hiệu dụng và điện áp ngược đỉnh mà van phải chịu đựng. Theo tài liệu nghiên cứu, với lò công suất 8kW, nguồn 380V, dòng qua mỗi pha khoảng 10.1A, dẫn đến yêu cầu Thyristor phải chịu được dòng trung bình tối thiểu 4.54A và điện áp ngược đỉnh trên 933V. Ngoài ra, các yếu tố động như tốc độ tăng áp (dU/dt) và tốc độ tăng dòng (dI/dt) cũng là những thông số chí mạng. Vượt quá các giới hạn này sẽ gây ra hiện tượng tự kích mở hoặc phá hủy van. Do đó, thiết kế mạch lực bắt buộc phải đi kèm các sơ đồ mạch lực có tích hợp phần tử bảo vệ, như mạch RC (snubber) để chống quá áp và cuộn kháng nhỏ để hạn chế tốc độ tăng dòng, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống.

2.1. Phương pháp tính toán và lựa chọn van Thyristor SCR

Việc lựa chọn van Thyristor phù hợp là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Dựa trên công suất định mức của lò (P=8kW) và điện áp nguồn ba pha (U=380V), dòng điện hiệu dụng qua mỗi pha tải được xác định là I = P / (3 * Upha) ≈ 10.1A. Từ đó, dòng trung bình qua van được tính toán (Itb_van ≈ 0.45 * I ≈ 4.54A) và điện áp ngược đỉnh phải chịu (Ung_max ≈ 1.5 * √2 * Upha ≈ 466.7V, có hệ số dự trữ). Dựa trên các thông số này, tài liệu gốc đã lựa chọn van Thyristor T10-12 của Nga, với dòng trung bình cho phép là 12A và điện áp ngược tối đa 1200V, đảm bảo một độ dự trữ an toàn. Ngoài ra, điều kiện làm mát cũng cần được xem xét. Với dòng tải không quá lớn, phương pháp tản nhiệt cho Thyristor bằng cánh tản nhiệt tự nhiên là khả thi và tiết kiệm chi phí.

2.2. Thiết kế mạch bảo vệ quá áp dU dt và quá dòng dI dt

Các linh kiện bán dẫn công suất rất nhạy cảm với các biến thiên đột ngột của điện áp và dòng điện. Để bảo vệ Thyristor khỏi hiện tượng tự kích mở do tốc độ tăng áp quá lớn (hiệu ứng dU/dt), một mạch RC (gọi là mạch snubber) được mắc song song với mỗi van. Mạch này có tác dụng hấp thụ các xung điện áp đột ngột. Giá trị của R và C thường được chọn theo kinh nghiệm, ví dụ R=68Ω và C=0.1μF cho các ứng dụng công suất nhỏ. Để hạn chế tốc độ tăng dòng (dI/dt) khi van vừa được kích mở, đặc biệt với tải thuần trở, một cuộn kháng nhỏ (cỡ vài μH) được mắc nối tiếp trong sơ đồ mạch lực. Cuộn kháng này có tác dụng làm chậm quá trình tăng của dòng điện, cho phép dòng điện kịp lan tỏa đều trên bề mặt tinh thể bán dẫn, tránh gây hỏng hóc cục bộ.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mạch Điều Khiển Điều Áp Ba Pha

Mạch điều khiển là bộ não của toàn bộ hệ thống, quyết định độ chính xác và ổn định của quá trình điều nhiệt. Nhiệm vụ chính của nó là tạo ra các xung kích có thời điểm và hình dạng phù hợp để mở các van Thyristor theo đúng góc kích alpha mong muốn. Một mạch điều khiển SCR hiệu quả phải đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe: đảm bảo các xung kích được phát đến đúng van, đúng thứ tự pha; góc điều khiển giữa các pha không được lệch quá 1-3 độ điện; và phải hoạt động ổn định khi điện áp lưới dao động. Cấu trúc mạch điều khiển phổ biến tuân theo nguyên tắc điều khiển dọc, bao gồm nhiều khâu chức năng được liên kết chặt chẽ. Tín hiệu điện áp lưới sau khi được hạ áp và đồng bộ sẽ được đưa vào khâu tạo điện áp tựa (thường là dạng răng cưa). Điện áp này sau đó được so sánh với một điện áp điều khiển (tương ứng với nhiệt độ mong muốn). Thời điểm hai điện áp này bằng nhau sẽ xác định thời điểm phát xung, tức là xác định góc kích alpha. Xung ra từ khâu so sánh sẽ được định hình và khuếch đại trước khi đưa đến cực G của Thyristor. Việc thiết kế các khâu này đòi hỏi sự tính toán chính xác để đảm bảo phạm vi điều khiển rộng và đáp ứng động nhanh chóng.

3.1. Sơ đồ cấu trúc và nguyên tắc điều khiển dọc tối ưu

Nguyên tắc điều khiển dọc là một phương pháp kinh điển và hiệu quả để tạo xung điều khiển. Cấu trúc của nó gồm các khối nối tiếp: Khâu đồng bộ hóa, Khâu tạo điện áp tựa, Khâu so sánh, và Khâu tạo xung. Điện áp lưới ba pha được đưa vào mạch đồng bộ hóa, thường qua một biến áp, để tạo ra các tín hiệu điện áp có cùng tần số và lệch pha xác định so với điện áp nguồn. Các tín hiệu này là gốc thời gian để xác định điểm bắt đầu của góc kích alpha. Nguyên tắc này đảm bảo rằng góc kích luôn được đo một cách chính xác bất chấp sự dao động tần số của lưới điện, đây là yếu tố cốt lõi để hệ thống hoạt động ổn định.

3.2. Chức năng và thiết kế khâu đồng bộ hóa Đồng pha

Mạch đồng bộ hóa có nhiệm vụ tối quan trọng là tạo ra một điện áp tham chiếu (điện áp tựa) có pha trùng khớp với điện áp trên các van lực (Thyristor). Điều này cho phép xác định chính xác thời điểm bắt đầu tính góc mở α là khi điện áp qua van bắt đầu dương. Thông thường, một biến áp hạ áp được sử dụng để lấy tín hiệu từ lưới điện, sau đó tín hiệu này được đưa qua một bộ khuếch đại thuật toán hoặc mạch so sánh để biến đổi thành dạng sóng vuông. Cạnh lên hoặc cạnh xuống của sóng vuông này chính là mốc 0 độ điện, làm cơ sở để khởi tạo các quá trình tạo xung và định thời trong các khâu tiếp theo của mạch điều khiển.

IV. Cách Xây Dựng Các Khâu Chức Năng Mạch Điều Khiển SCR

Để hiện thực hóa nguyên tắc điều khiển dọc, việc xây dựng chi tiết từng khâu chức năng là bước triển khai cụ thể. Mỗi khâu có một nhiệm vụ riêng biệt và phải được tính toán, lựa chọn linh kiện cẩn thận. Khâu tạo điện áp răng cưa là một trong những khối quan trọng nhất, vì độ tuyến tính của nó ảnh hưởng trực tiếp đến mối quan hệ giữa điện áp điều khiển và góc kích. Thông thường, một mạch tích phân sử dụng khuếch đại thuật toán được dùng để tạo ra điện áp răng cưa, đồng bộ với tín hiệu từ khâu đồng pha. Tiếp theo, khâu so sánh sẽ đối chiếu điện áp răng cưa này với điện áp điều khiển Uđk. Tại thời điểm U_răng_cưa = Uđk, đầu ra của khâu so sánh sẽ đảo trạng thái, tạo ra một xung vuông. Độ rộng của xung này chính là khoảng thời gian từ góc α đến cuối bán kỳ. Cuối cùng, mạch tạo xung kích sẽ biến đổi xung vuông này thành dạng xung kim hoặc chùm xung tần số cao, khuếch đại đủ công suất và cách ly với mạch lực thông qua biến áp xung trước khi đưa đến cực G của Thyristor, đảm bảo kích mở van một cách chắc chắn và an toàn.

4.1. Thiết kế khâu tạo điện áp tựa dạng răng cưa tuyến tính

Điện áp tựa dạng răng cưa được ưa chuộng vì nó tạo ra một mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp điều khiển và góc kích alpha, giúp việc điều khiển trở nên đơn giản và dễ dự đoán. Mạch này thường sử dụng một bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) cấu hình thành mạch tích phân. Tụ điện trong mạch sẽ được nạp bởi một dòng không đổi, tạo ra một điện áp tăng tuyến tính. Khi kết thúc mỗi nửa chu kỳ của điện áp lưới (được xác định bởi khâu đồng bộ), tụ điện sẽ được xả nhanh về 0 để bắt đầu một chu kỳ nạp mới. Việc đảm bảo độ tuyến tính của sườn dốc và thời điểm reset chính xác là yếu tố quyết định chất lượng của toàn bộ hệ thống điều khiển.

4.2. Mạch tạo xung và khuếch đại bằng biến áp xung

Xung ra từ khâu so sánh thường là xung vuông rộng, chưa phù hợp để kích mở Thyristor. Do đó, mạch tạo xung kích có nhiệm vụ biến đổi nó thành dạng xung phù hợp hơn, thường là một chùm xung tần số cao (khoảng 10kHz). Việc sử dụng chùm xung đảm bảo van được kích mở chắc chắn ngay cả với tải có tính cảm. Sau đó, các xung này cần được khuếch đại về mặt công suất để đủ dòng và áp mở van. Biến áp xung được sử dụng ở tầng cuối cùng không chỉ để khuếch đại mà còn có chức năng vô cùng quan trọng là cách ly điện giữa mạch điều khiển điện áp thấp và sơ đồ mạch lực điện áp cao, đảm bảo an toàn cho người vận hành và các linh kiện điện tử nhạy cảm.

V. Kết Quả Mô Phỏng Thiết Kế Lò Điện Trở Trên Simulink

Lý thuyết thiết kế cần được kiểm chứng trước khi triển khai phần cứng. Mô phỏng Matlab Simulink hoặc các phần mềm tương đương như PSIM (được sử dụng trong tài liệu gốc) là công cụ mạnh mẽ để xác minh tính đúng đắn của các sơ đồ mạch và thuật toán điều khiển. Quá trình mô phỏng cho phép phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện tại mọi điểm trong mạch một cách trực quan, từ đó đánh giá được hiệu quả của hệ thống. Trong nghiên cứu này, mô phỏng được thực hiện với các giá trị góc kích alpha khác nhau (ví dụ 45°, 70°, 102°) để quan sát sự thay đổi của điện áp ra tải. Kết quả mô phỏng cho thấy dạng sóng điện áp trên tải hoàn toàn khớp với lý thuyết về hoạt động của bộ điều áp xoay chiều ba pha. Khi góc alpha tăng, điện áp hiệu dụng ra tải giảm, chứng tỏ khả năng điều khiển công suất của mạch. Các đồ thị điện áp ra tải cũng cho thấy rõ các khoảng thời gian có 2 van dẫn và 3 van dẫn xen kẽ, tùy thuộc vào dải điều khiển của góc alpha. Những kết quả này cung cấp sự tự tin cần thiết trước khi tiến hành chế tạo và thử nghiệm thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

5.1. Xây dựng sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển trên PSIM

Mô hình mô phỏng được xây dựng gồm hai phần chính: sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển. Mạch lực bao gồm nguồn điện xoay chiều ba pha, sáu khối Thyristor, tải điện trở thuần đấu sao và các phần tử bảo vệ. Mạch điều khiển được xây dựng chi tiết từ các khối chức năng như trong thiết kế lý thuyết: khối đồng bộ, khối tạo răng cưa, khối so sánh, và khối tạo xung. Các thông số của linh kiện như điện trở, tụ điện, thông số của Thyristor được nhập chính xác theo tính toán để kết quả mô phỏng phản ánh gần nhất với thực tế. Điện áp điều khiển (Uđk) được thiết lập như một thông số đầu vào có thể thay đổi để kiểm tra đáp ứng của hệ thống.

5.2. Phân tích đồ thị điện áp ra tải với các góc kích alpha

Kết quả mô phỏng được thể hiện qua các đồ thị điện áp ra tải. Tài liệu gốc đã thực hiện kiểm chứng với ba trường hợp: Uđk = 1.43V (tương ứng α ≈ 45°), Uđk = 2.22V (tương ứng α ≈ 70°), và Uđk = 3.2V (tương ứng α ≈ 102°). Đồ thị cho thấy rõ khi α = 45° (trong vùng 0°<α<60°), điện áp ra tải có các đoạn bằng điện áp pha nguồn (khi 3 van dẫn). Khi α = 70° (trong vùng 60°<α<90°), điện áp ra tải chỉ còn các đoạn bằng một nửa điện áp dây (khi 2 van dẫn). Và khi α = 102° (vùng 90°<α<150°), xuất hiện các khoảng thời gian điện áp bằng không. Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải giảm dần tương ứng: 204.6V, 171.1V, và 105.0V, khẳng định mạch điều khiển hoạt động chính xác.

VI. Ứng Dụng Thực Tế Của Lò Điện Trở Trong Công Nghiệp

Hệ thống lò điện trở được điều khiển bằng bộ điều áp xoay chiều ba pha có phạm vi ứng dụng vô cùng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp nhờ khả năng tạo ra nhiệt độ cao, chính xác và môi trường nung sạch. Trong ngành luyện kim, chúng được sử dụng để xử lý nhiệt kim loại, bao gồm các công đoạn tôi, ram, ủ, thường hóa nhằm thay đổi cấu trúc vi mô và cải thiện cơ tính của vật liệu. Trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng và gốm sứ, lò nung gốm sứ và lò nung clinker xi măng là những ứng dụng không thể thiếu, đòi hỏi sự kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt theo một chu trình định sẵn để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, lò điện trở còn được dùng trong các ngành công nghiệp nhẹ và thực phẩm để sấy khô, tiệt trùng. Các đồ án điện tử công suất về chủ đề này không chỉ mang tính học thuật mà còn có giá trị thực tiễn cao, là nền tảng cho việc tự động hóa các quy trình sản xuất, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Hướng phát triển trong tương lai là tích hợp các bộ điều khiển kỹ thuật số (vi điều khiển, PLC) và các thuật toán điều khiển tiên tiến như bộ điều khiển nhiệt độ PID để tạo thành một hệ thống điều khiển vòng kín, giúp tối ưu hóa quá trình điều nhiệt một cách thông minh và hiệu quả hơn nữa.

6.1. Vai trò trong xử lý nhiệt kim loại và sản xuất gốm sứ

Trong ngành xử lý nhiệt kim loại, việc kiểm soát chính xác nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt là yếu tố sống còn quyết định chất lượng của sản phẩm thép, hợp kim. Lò điện trở cho phép thực hiện các chu trình nhiệt phức tạp một cách chính xác. Tương tự, trong ngành gốm sứ, quá trình nung là giai đoạn quan trọng nhất. Một lò nung gốm sứ hiện đại sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ tự động có thể lập trình nhiều giai đoạn gia nhiệt, giữ nhiệt và làm nguội khác nhau, đảm bảo sản phẩm có độ bền, màu sắc và chất lượng đồng đều, giảm thiểu tỷ lệ phế phẩm so với các phương pháp nung truyền thống.

6.2. Hướng phát triển và tích hợp bộ điều khiển nhiệt độ PID

Thiết kế được trình bày trong tài liệu gốc là một hệ thống điều khiển vòng hở. Để tăng độ chính xác và khả năng chống lại các nhiễu loạn (như thay đổi điện áp lưới, mở cửa lò), hướng phát triển tất yếu là xây dựng một hệ thống điều khiển vòng kín. Trong đó, tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến nhiệt độ loại K sẽ được phản hồi về bộ điều khiển. Bộ điều khiển nhiệt độ PID (Proportional-Integral-Derivative) sẽ so sánh nhiệt độ thực tế với nhiệt độ cài đặt và tự động điều chỉnh điện áp điều khiển Uđk (tức góc kích alpha) để bù trừ sai lệch. Việc tích hợp PID bằng vi điều khiển hoặc PLC sẽ giúp hệ thống tự động hóa hoàn toàn, thông minh hơn và tiết kiệm năng lượng tối đa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VẺ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ĐIÊU ÁP XOAY CHIEU 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 trinh công nghệ khác nhau như nung hoặc nau luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v.

- Lò điện được sử dung réng rai 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 phâm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi + §ản xuất đúc và kim loại bột - Trong các lĩnh vực công nghiệp khác: + Trong công nghiệp nhẹ và thực phâm, lò điện được dùng dé sat, mạ vật phâm và chuẩn bị thực phâm + Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng đê sản xuât các vật phâm thuỷ tinh, sôm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v. Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày cảng được dùng phô 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, sây 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 - Kin Đô án điện tứ công suất - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất đỡ nguyên liệu và vận chuyên vật phẩm - Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gon nhe 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=FRT (1. 0) Trong do: Q - Lượng nhiệt tính bang Jun (J) I- Dòng điện tinh bang Ampe (A) R - Điện trở tinh bang Om (Q) T - Thoi gian tính bằng giây (s) - Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò: + Vật nung: Trường hợp nảy gọi lả 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 điện 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 đề làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của lò.

Những vật liệu dùng làm dây nung s* 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 Đồ án điện tử công suất - 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 cô định hoặc ít thay đôi - Các kích thước phải không thay đôi khi sử dụng - Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn s* Day nung kim loại Đề 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 đề 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 quyên bình thường Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và đạng băng. s* Dây nung phi kim loại Dây nung phi kim loại dung pho bién 1a SiC, Grafit va than. Câm tạo lò điện trở a.

Những yêu cầu cơ bản đôi với cầu tạo lò điện s* 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 hop ly nhat. Diéu này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầu về lò điện vượt xa khả năng sản xuất ra nó. s* Hiệu quả về kỹ thuật Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biéu 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 pham sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện đề nung. là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả Đồ án điện tử công suất kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết câu 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.

s* Chắc chăn 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 tronp 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 thé dan dén lam hư hong san pham, lang phí nguyên liệu vả 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 điêm 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.

s* Tiện lợi khi sử dụng Tiện lợi khi sử đụng nghĩa là yêu cầu: - Số nhân viên phục vụ tối thiểu. - Không yêu câu trình độ chuyên môn cao, không yêu câu sức lực và sự dẻo dai của nhân viên phục vụ. - Số lượng các thiết bị hiểm và quí bị hao mòn nhanh yêu câu tôi thiểu. - Bảo quản dễ dang.

Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phan cua thiết bị thuận lợi. - Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh và tuyệt đôi an toàn. s% Rẻ và đơn giản khi chê tạo Vệ mặt này yêu câu: - Tiêu hao vật liệu ít, đặc biệt là các vật liệu quí và hiểm (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 đề gia công. Đồ án điện tử công suất - Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu đề 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 chỉ tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý. s* Hình đáng bề ngoài đẹp Mỗi kết câu của thiết bị, vật phâm, các khâu và các chỉ tiết phải có hình đáng và tỷ lệ các cạnh phủ hợp, đễ nhìn.

Tuy nhiên cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cau khi trọng lượng nhỏ và hình đáng 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 đáng bên ngoài của lò điện. Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết. Cấu tạo lò điện trở Hình I.

Hình ảnh lò điện trở dạng lò giếng 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. s Vỏ lò Đồ án điện tử công suất Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu đề chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng đề giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoan toàn hoặc tương, đối của lò.

Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở binh 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 thế 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 cầu cơ khí gắn trên vo lo. - Vỏ lò chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.

- Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v. - Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi củng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép tắm dảy 3 - 6 mm khi đường kính vỏ lò la 1000 — 2000 mm va 8 — 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 — 4000 mm và 14 — 20 mm khi đường kính vỏ lò khoảng 4500 — 6500 mm.