Nghiên cứu ,xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt 5m3

Trường ĐHCN Hà Nội
Đồ án điều khiển lập trình
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Số: Đề 27
Giáo viên hướng dẫn :

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

Họ và tên HS-SV :

Trịnh Hữu Thuận
Quản Thị Trang

Lớp : ĐH Điện 4-k7
Khoá : Điện
NỘI DUNG
Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt 5m3
T
T
1
2
3
4

Tên bản vẽ

Khổ giấy

PHẦN VIẾT BÁO CÁO
•
•

•

Tổng quan về hệ thống điều khiển nhiệt độ
Xây dựng phương án và tính chọn các thiết bị liên quan
Xây dựng hệ điều khiển và giám sát

GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

1

Số lượng


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
MỤC LỤC

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 2 / 42GVHD:

2

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
LỜI NÓI ĐẦU
Trong công nghiệp và sinh hoạt hằng ngày, năng lượng nhiệt đóng vai trò rất quan
trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau
như: nấu gang thép, nung gốm ,ứng dụng trong ấp trứng …Vì vậy việc sử dụng
nguồn năng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết .Lò điện trở
được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng nhiều nhu cầu thực tiễn đặt
ra ,mang lại hiệu quả cao .Ở lò điện trở yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là chúng
là điều chỉnh và khống chế lò nhiệt .Từ đề tài “ Nghiên cứu ,xây dựng hệ thống
điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt 5m3”. Dựa trên cơ sở lý thuyết những kiến thức đã
học trong các môn như: Tổng hợp hệ thống điện cơ, lý thuyết điều khiển tự
động,thực tập PLC…Vì kiến thức hạn chế và còn nhiều thiếu xót trong tính toán
,thiết kế nên chúng em còn gặp những khó khăn .Để đồ án được hoàn thiện hơn
chúng em rất mong nhận được ý kiến của thầy cô và các bạn .Chúng em xin chân
thành cám ơn thầy giáo Th.s NGUYỄN ĐĂNG TOÀN đã hướng dẫn để chúng em
hoàn thành đồ án

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 3 / 42GVHD:

3

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
CHƯƠNG I-TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
1.1. Tổng quan về lò nhiệt điện trở
1.1.1. Giới thiệu chung về lò điện trở
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 hoá 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 sấy, 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 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.v...
1.1.2 - Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua mét dây
dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra mét lượng nhiệt theo định luật Jun - Lenxơ :

Q = I2RT
Q - Lượng nhiệt đơn vị là Jun (J)
I - Dòng điện đơn vị là Ampe (A)
R - Điện trở đơn vị là Ôm (W)
T - Thời gian đơn vị là giây (s)
Tõ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò :
Vật nung : Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 4 / 42GVHD:

4

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
Dây nung : Khi dây nung được nung núng 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 Ýt 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.
1.1.3 - Cấu tạo lò điện trở
Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vá lò, lớp lót và dây nung.
a - Vá lò
Vá lò điện trở là mét 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 tổn 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 vá lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò
( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
- Vá lò chữ nhật thườnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v...
- Vá lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v...
- Vá 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. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép
tấm dày 3 4 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 4 2000 mm và 8 4 12 mm khi
đường kính vỏ lò là 2500 4 4000 mm và 144 20 mm khi đường kính vỏ lò khoảng
4500 4 6500 mm.Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vá lò tròn, người ta dùng các
vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình.
Vá lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình
dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của
lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 5 / 42GVHD:

5

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
b - Lớp lót
Lớp lót lò điện trở thường 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 thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi
người 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 được 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 được tác dụng của khí quyển lò và
ảnh hưởng 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 thường 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.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 6 / 42GVHD:

6

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
c - Dây nung
Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai
loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại.
Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 7 / 42GVHD:

7

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
CHƯƠNG II-XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ LIÊN
QUAN
I-Mô tả nguyên lý làm việc của hệ thống:
Yêu cầu đặt ra là điều khiển và giám sát nhiệt độ cho lò nhiệt có thể tích 5.3m3
Nên ta sẽ có mô tả hoạt động của hệ thống làm việc như sau:
Vì hệ thống dùng dây nung phát nhiệt làm bộ phát nhiệt của lò.Để điều chỉnh nhiệt
độ của dây nung thì ta thay đổi điện áp đặt vào dây nung,tức là điều chỉnh công
suất.
Có nhiều phương pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều đặt vào dây nung,nhưng ta sẽ
chọn phương pháp tối ưu đơn giản và hiệu quả nhất.
Cấp điện vào dây nung sau một thời gian ngắn dây nung được nung nóng lên và
phát nhiệt vào lò,cảm biến nhiệt độ được đặt ở thân lò thu được nhiệt độ từ nhiệt
dây nung phát ra.Nhiệt độ thu được sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp và
phản hồi về hệ thống điều khiển và cảnh báo hộp controller,ở đây nó sẽ bao gồm
cơ cấu hiễn thị nhiệt độ hiện thời của lò và các cảnh báo nhiệt độ đang ở mức thấp
mức cao so với nhiệt độ đặt ban đầu của lo nhiệt mà người dùng yêu cầu.
Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ được thu về và hiễn thị trên tủ điều khiển người
dùng,và người dùng sẽ nhận biết được mức nhiệt độ yêu cầu và điểu chỉnh tăng
hay giảm nhiệt độ lò cho thích hop.Vì 1 số yêu cầu trên nên em sẽ chọn dải giá trị

nhiệt độ xem như là giá trị đặt yêu cầu của lò,nhiệt độ cao nhất của lò nhận được từ
dây nung phát ra sẽ là 300oC tức là khi nhiệt độ của lò lên tới 300oC thì cảm biến
sẽ báo về bộ điều khiển và nó sẽ so sánh với điện áp đo được rồi sẽ điều khiển
không tăng thêm nhiệt độ từ dây nung nữa và cảnh báo đèn sáng,nhiệt độ thấp nhất
mà người dùng đặt yêu cầu sẽ là 0oC,tức là khi cảm biến nhiệt độ đo được nhiệt độ
dưới 0oC thì sẽ tác động báo đèn báo mức thấp sáng và yêu cầu tăng thêm nhiệt đọ
từ dây nung.
Hệ thống sẽ dùng thêm 2 con cảm biến nhiệt độ nữa đặt xung quanh lò để đo nhiệt
độ phân tán nhiệt có đều không và báo về hệ thống giám sát.
Phương pháp dùng để điều khiển điệp áp xoay chiều cấp cho dây nung ở đây là
dùng phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp
điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự
thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn
dương hay sườn âm.
Ứng dụng của PWM trong điều khiển

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 8 / 42GVHD:

8

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường
hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều
khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều
khiển sự ổn định tốc độ động cơ.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các
mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...
PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là
PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính
là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định .Như vậy PWM được ứng dụng rất
nhiều trong các thiết bị điện- điện tử. PWM cũng chính là nhân tố mà các đội
Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ.hoạt động
được mô tả như hình :

II-TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ LIÊN QUAN

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 9 / 42GVHD:

9

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
1.Các thiết bị phần mạch lực
a.Vỏ lò
Vỏ lò là phần bào vệ và giữ nhiệt độ ổn định cho lò,nên nó rất quan trọng,yêu cầu
vỏ lò là giữ được nhiệt độ,không bị phân tán nhiệt trong quá trình sử dụng.Ở đây ta
sẽ chọn vỏ lò được xây dựng bên ngoài bằng bê tông,phần bên trong tiếp xúc với
nhiệt nhiều thì ta sẽ gia công bằng thép chịu được nhiệt độ cao,trong quá trình lắp
ráp xây dựng vỏ lò yêu cầu cần giám sát không có sự rò rỉ nhiệt độ,gió lùa trong
quá trình đưa vào hoạt động.
Một phần cũng quan trọng là đế lò,nơi tiếp xúc trực tiếp với bộ phận tạo nhiệt,tùy
vào mục đích sử dụng và yêu cầu ta sẽ làm đế hình vuông hay tròn tùy ý,yêu cầu
thiết kế theo bản vẽ để sau này lắp ráp các thiết bị điều khiển và giám sát chính xác
hơn.
Công suất lò chọn sẽ là P=35kW,điện áp cấp cho lò là điện áp 3 pha 380v hệ số cos
δ

0,65,tổn hao nhiệt 5kW.nhiệt độ ổn định cung cấp làm việc lâu dài của lò là
300oC
b.Dây nung
Là thiết bị tạo nhiệt cho lò nên nó rất quan trọng,khi tính toán chọn lựa dây nung ở
đây cần sự chính xác cao,để đảm bảo lò nhiệt được hoạt động tốt nhất đúng với
yêu cầu,do nó phải làm việc trong điều kiện vô cùng khắc nghiệt và lâu dài.Một số
yêu cầu chính khi chọn dây:
-chịu đươc nhiệt độ cao
-độ bến cơ khí cao
-có điện trở suất lơn
-có hệ số nhiệt điện trở nhỏ
-chậm hóa già
+ tính chọn dây nung

1.Dây điện trở bằng hơp kim
+ hợp kim Crom-Niken.Hợp kim này có độ bền cơ học cao vì có lớp màng Oxit
croom bảo vệ,dẻo,dễ gia công,điện trở suất lơn,hệ số nhiệt điện trở bé,sử dụng với
lò có nhiệt độ làm việc dưới 1200oC
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 10 / 42GVHD:

10

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
+ hợp kim crom-nhôm có các đặc điểm như hợp kim NIcrom nhưng có nhược
điểm là giòn,khó gia công,độ bền cơ học kém trong môi trường nhiệt độ cao.
2.Dây điện trở bằng kim loại
Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chày cao:Molipden,Tanta và
Wonfram dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ.
3.Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại
+ vật liệu Cacbuarun chịu được nhiệt độ cao tới 1450oC,thường dùng cho lò điện
trở có nhiệt độ cao,dùng để tôi dụng cụ cắt gọt
+ Cripton là hỗn hợp của graphic,cacbuarun và đất sét,chúng được chế tạo dưới
dạng hạt,chúng có đường kính 2-mm,thường dùng cho lò điện trở trong phòng thí
nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 1800oC.

Theo yêu cầu đặt ra của đề tài thì nhiệt độ lò yêu cầu chỉ nằm dưới mức nhiệt độ
trung bình từ 0oC đến 1200oC.
Ta sẽ chọn vật liệu làm dây điện trở ở đây sẽ là dây Nicrom-X20H80T có
Vật liệu
làm dây
điện trở

Khối
lượng
riêng ở
20oC
g/cm3

Điện trở suất
ở
0oC,mm2/m

Hệ số
Nhiệt
nhiệt
độ
3
điện trở chảy
lỏng
0
C

NicromX20H80
T

8,20

1,270

0,022

1400

Nhiệt
độ
làm
việc
cực
đại 0C
1200

làm
việc
liên
tục

Làm
việc
gián
đoạn

1050

1000

*Tính chọn kích thước dây điện trở
Trong mục này chỉ trình bày việc tính chọn dây điện trở là kim loại và hợp
kim.Dây điện trở làm từ kim loại và hợp kim được chế tạo với hai tiết diện:tròn và
hình chữ nhật.
-

Đối với tiết diện tròn cần tính hai thông số: đường kính dây d và chiều dài
dây điện trở L.
Đối với dây điện trở hình chữ nhật cần xác định các cạnh a,b và chiều dài
dây nung L

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 11 / 42GVHD:

11

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
Trong thực tế có 2 loại lò:một pha và 3 pha.Nếu công suất của lò lớn hơn
5kW phải làm lò 3 pha,tránh hiện tượng lệch pha phụ tải cho lưới
điện,nhưng khi tính toán chỉ cần tính toán cho 1 pha,vị trí số điện trở của
dây dẫn của 3 pha phải như nhau.

Việc tính toán kichs thước dây điện trở được dựa trên 2 biểu thức sau:
+ biểu thức phản ánh quá trình biến đổi điện năng thành nhiệt năng
P=W.F.10-3
(1.1)
+ biểu thức phản ánh các thông số điện
P=U2.103/R=U2.103/ρ
(1.2)
trong đó :P-công suất của dây điện trở,kW
W- công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực,W/cm2
F- diện tích xung quanh của dây điện trở,cm2
U- điện áp giữa 2 đầu dây điện trở,V
R- điện trở của dây đốt,Ω
ρ- là điện trở suất của vật liệu chế tạo dây điện trở,Ωmm2/m
L- chiều dài của dây điện trở,m
S- diện tích của tiết diện cắt ngang của dây điện trở,mm2
Biểu thức (1.1)có thể viết dưới dạng sau:
P=W.C.L.10-2

(1.3)

Trong đó: C chu vi của dây điện trở,mm
Từ (1.3) rút ra được L=P.10-2/Wd.C

(1.4)

Từ biểu thức (1.2) rút ra được L=U2.S.10-3/P.ρ

(1.5)

Cân bằng 2 biểu thức (1.4) và (1.5) ta có:

C.S=P2.ρ.105/U2.W mm3 (1.6)
Trong hệ thống này chúng ta sẽ chọn dây có tiết diện hình tròn,các thông số lựa
chọn sẽ được tính như sau:
C=π.d

S= π.d2/4

Thay vào biểu thức (1.6) ta được:

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 12 / 42GVHD:

12

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
5

4.10 .1, 270.15
Π 2 .3802.W

3

d=

L=

R.S
ρ

3

=

2

10.ρ .P 2
4.Π.ρ .W 2

=5,2 (1.7)

=13,8m

(1.8)

Ta chọn được 1 số loại dây tròn có đường kính dây và chiều dài dây tương ứng:
Dây tròn có đường kính d [mm]:
Đường kính

2

2,2

2,5

2,8

3

3,5

4

4,5

dây(d)[mm]

5,5

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

5

Cấu trúc của dây điện trở kim loại
Trong các lò điện trở, dây điện trở thường có tiết diện tròn hoặc tiết diện chữ
nhật. Từ hai loại tiết diện này, người ta tạo ra các kiểu cấu trúc dây khác nhau:
-

Dây điện trở tròn có cấu trúc xoắn (xoắn trụ hoặc xoắn phẳng).

-

Dây điện trở tròn có cấu trúc dích dắc.

-

Dây điện trở tiết diện chữ nhật, cấu trúc dích dắc.

Kích thước cơ bản của các loại dây được mô tả trên hình dưới:
t = 2e

t = 2e

e

a

e
b

H

H

d

A A
a)

a

A-A

B

D

b)

t

t

c)
d

a – Dây tiết diện tròn, kiểu dích dắc.
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 13 / 42GVHD:

13

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
b – Dây tiết diện chữ nhật, kiểu dích dắc.
c – Dây tiết diện tròn, kiểu xoắn lò xo.
Khi chọn lựa và lắp đặt dây vào trong lò cần chú ý:
-

Khả năng ăn mòn hoá học giữa dây điện trở và lớp lót tiếp xúc với
dây điện trở.

- Khả năng ăn mòn hoá học của khí lò đối với dây.
- Khi nhiệt độ dây điện trở cao hơn 900 0C không được đặt dây điện trở trực
tiếp lên tường lò bằng gạch samôt (để tránh tạo ra hợp chất dễ chảy giữa dây
và samôt).
- Để giữ dây cố định, ta dùng gạch gốm chất lượng cao làm gạch đỡ dây điện
trở (samôt loại A, vật liệu Alumin, vật liệu giàu Al2O3).
- Dây điện trở Sắt – Crôm – Nhôm bị giòn trong môi trường có chứa khí
CO. Trong môi trường này ta phải dùng dây điện trở Crôm – Nhôm (Cr Al).
*Các kiểu bố trí dây điện trở trong lò

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 14 / 42GVHD:

14

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


5 - Đặt nằm trên các viên gạch đua ra ở

6 - Dây xoắn đặt ở tuờng bên.

7 - Dây xoắn đặt ở nóc lò và đáy lò.

1 - Treo ở tuờng bên.

2 - Đặt ở đáy lò.

3 - Đặt ở duới nóc lò.

Mụn: in t cụng sutTrng

HCN H Ni
4 - Đặt trên giá gốm ở tuờng bên. 8 - Dây xoắn lồng trên ống gốm.

AXC 3 pha khi ng C KB roto ngn mch

1

5

Hình 2.9. Các kiểu bố trí dây điện trở trong lò.

2

6

3

7

4

8

ỏn chuyờn mụn t ng húa

C. Ngun cung cp cho lo nhit
Theo yờu cu ca lo nhit cú thờ tich 5.3m3 ta chn cụng sut ca lo l
P=35kW,in ỏp cung cp 3 pha 380v nờn ta s ly ngun t li in trc tiờp.Ti
dõy in tr s c ni qua bụ iu khiờn l 6 thyristor u song song mi pha s
c iu khiờn bi 2 thyristor u song song ngc nhau,cỏc van thyristor c
iu khiờn bi t controller bng cỏch iu chnh gúc m ờ thay i cụng sut
ra ti t ú iu chnh c lng nhit ụ cn mong mun.
SVTH: Nguyn Phỳc on

Trang 15 / 42GVHD:

15

Th.s Nguyn ng Ton


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
d. Quạt gió để làm thông thoáng lò trước khi cấp nhiệt cho lò
Khi cho lò hoạt động, trước tiên ta phải cho chạy quạt rồi mới cấp điện cho
dây nung. Nếu quạt chưa chạy, ta không được cho dây điện trở làm việc vì khi đó
chưa có không khí tuần hoàn nên nhiệt lượng do dây điện trở toả ra sẽ không được
lấy đi làm cho nhiệt độ của dây tăng lên quá nhiệt độ cho phép gây hỏng dây điện
trở.
e.Tính chọn cảm biến nhiệt độ cho lò
Khi nhiệt độ của một hệ thống thay đổi thì các tính chất vật lý của hệ thống
đó cũng thay đổi theo. Nếu những thay đổi này là đơn trị đối với nhiệt độ thì ta có
thể căn cứ vào sự thay đổi các tính chất vật lý này để xác định nhiệt độ của hệ
thống. Nhưng đa số các trường hợp, các tính chất vật lý của hệ thống không chỉ
phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào các điều kiện khác. Vì vậy, để xác
định được nhiệt độ của hệ thống ta phải sử dụng các dụng cụ đo (thiết bị đo) mà
tính chất vật lý cũng như sự thay đổi các tính chất vật lý của lò theo nhiệt độ phải
được biết trước.
Khi xác định nhiệt độ của một hệ thống nào đó, ta giả thiết rằng giữa hệ thống và
thiết bị đo có sự cân bằng hoàn toàn về nhiệt độ nhưng thực tế khó có thể đạt được
sự cân bằng đó.Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ, nhưng dựa trên yêu cầu nhiệt
độ cần đo và độ chính xác của dông cụ đo nhiệt độ, người ta thường dùng hai
phương pháp đo nhiệt độ sau: Đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc.

-

Phương pháp đo nhiệt độ tiếp xúc: Là phương pháp đo mà đầu đo
(bộ phận nhận tín hiệu) của dông cụ đo được đặt trực tiếp trong môi
trường cần đo nhiệt độ. Điều kiện đo ở đây là phải đảm bảo cân bằng
nhiệt độ giữa đầu đo và môi trường cần đo nhiệt độ.

-

Phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc: Là phương pháp đo mà
đầu đo không đòi hỏi phải tiếp xúc với môi trường cần đo nhiệt độ.

Mỗi phương pháp đo nhiệt độ lại có những nguyên tắc đo nhiệt độ khác nhau,
ứng với mỗi nguyên tắc đo nhiệt độ ta có những loại thiết bị đo (nhiệt kế) tương
ứng:
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 16 / 42GVHD:

16

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

- Nhiệt kế áp suất.
- Nhiệt kế điện trở.
- Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (cặp nhiệt điện).
- Nhiệt kế quang học...
Mỗi nguyên tắc đo nhiệt độ đều có những đặc tính và điều kiện đo khác nhau.
Do vậy, khi đo nhiệt độ ta phải căn cứ vào: Giới hạn nhiệt độ cần đo, tính chất của
môi trường cần đo nhiệt độ, yêu cầu về độ chính xác mà phép đo nhiệt độ cần đạt
được, . . . mà lựa chọn phương pháp đo nhiệt độ và nhiệt kế cho phù hợp.

Trong đồ án này, nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn trong lò là
tkk =
0
300 C nên ta chọn phương pháp đo nhiệt độ tiếp xúc dựa trên nguyên tắc đo hiệu
quả nhiệt điện bằng cặp nhiệt điện XA (Crômen - Alumen).
*Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt
Cặp nhiệt điện được cấu tạo bằng hai dây dẫn khác loại, hai dây dẫn này được
hàn với nhau ở một đầu để tại nơi làm việc có nhiệt độ t (thường gọi là đầu nóng).
Hai đầu còn lại để nguyên có nhiệt độ t0 cố định (thường gọi là đầu tự do) được nối
với đồng hồ đo sức điện động sinh ra.
Do có sự chênh nhiệt độ giữa hai đầu: đầu nóng và đầu tự do nên giữa hai đầu
tự do (đầu có nhiệt độ t 0) xuất hiện độ chênh điện áp. Độ chênh điện áp này có
quan hệ tỉ lệ với độ chênh nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu tự do. Mỗi loại cặp nhiệt
có quan hệ tỉ lệ riêng biệt. Ta dựa vào độ chênh điện áp giữa hai đầu tự do để xác
định nhiệt độ của đầu nóng ( khi nhiệt độ của đầu tự do t0 đã biết).
*Cấu tạo của cặp nhiệt điện XA
Cặp nhiệt điện XA có :
- Cực dương (+): Là hợp kim Crômen (80 % Ni + 10 % Cr + 10 %
Fe).
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 17 / 42GVHD:

17

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
- Cực âm ( - ): Là hợp kim Alumen (95 % Ni + 5 % Al, Si, Mn).
Cặp nhiệt điện XA có giới hạn đo nhiệt độ:
- Khi đo ngắn hạn: tmax = 1100 [0C].
- Khi đo dài hạn: tmax = 900  1000 [0C].
- Khi đo trong môi trường hoàn nguyên: tmax = 700 [0C].
Kích thước của cặp nhiệt điện XA:
ddây = 1  3 [mm].

Quan hệ giữa sức nhiệt điện động và nhiệt độ của cặp nhiệt XA.

Nhi

*Bù nhiệt độ cho cặp nhiệt XA
Do sức nhiệt điện động của cặp nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của đầu nóng (t)
và nhiệt độ đầu tự do (t0) nên để đo được nhiệt độ một cách chính xác ta cần giữ
nhiệt độ đầu tự do (t0) cố định. Nếu đầu tự do nằm gần sát lò, tủ sấy, . . . thì t 0có giá
trị cao và không ổn định. Ta có thể kéo dài các cực của cặp nhiệt nhưng như vậy sẽ

tốn kém vì giá thành của vật liệu làm cực thường rất đắt. Để khắc phục nhược điểm
này, ta dùng một cặp dây nối để kéo dài cặp nhiệt ra nhưng không gây sai số, cặp
dây dẫn nối đó gọi là dây bù. Các tính chất nhiệt điện của cặp dây bù phải gần

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 18 / 42GVHD:

18

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
giống tính chất nhiệt điện của cặp nhiệt điện. Đối với cặp nhiệt điện XA, ta sử
dụng cặp dây dẫn bù sau:
- Cực dương: Vật liệu làm dây bù là đồng.
- Cực âm: Vật liệu làm dây bù là constantan (60% Cu + 40% Ni).
2. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO
LÒ NHIỆT

Mạch điều khiển cho lò sẽ được kết nối và hiễn thị trên máy tính qua cổng
truyền thông giao tiếp,nguyên lí làm việc mạch điều khiển như sau:khi đóng cầu
dao cấp điện cho lò cùng hệ thống điều khiển,nhiệt độ sẽ tăng dần lên theo thời
gian,cảm biến nhiệt độ lúc này bắt đầu đo nhiệt độ trong lò và hiễn thị lên bộ điều

khiển,từ đó người điều khiển sẽ điều khiển mạch điều khiển tức là điều khiển mạch
thyristor đóng và mở các góc α để thay đổi công suất cấp cho dây nung.
Từ công suất làm việc định mức của là là P=35kW và điện áp định mức cấp
cho lò là 3 pha 380v ta sẽ tính toán xác định được các thiết bị cho mạch điều
khiển,ở đây ta sẽ chọn thyristor cho mạch điều khiển.

• Tính chọn van bán dẫn

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 19 / 42GVHD:

19

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện trở dưới đây ta sử dụng
mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần
trở đấu sao.
Các biểu thức thể hiện quan hệ giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α :
Với α = 0 ÷

P=

60 o

:

2
3U dm
π α sin 2α
[ − +
]
πR 6 4
8

Với α = 60 ÷ 90o :

P=

2
3U dm
π 3
3
[ + sin 2α +
cos 2α]
πR 12 16
16

Với α = 90 ÷ 150o :

P=

2
3U dm
5π α
3
1
[ − +
cos 2α + sin 2α]
πR 24 4 16
16

Công suất định mức của lò điện trở 5.3m3 là
Tổn hao của lò điện

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

∆P

Pdm

= 35(kw)

= 5(kw)
Trang 20 / 42GVHD:

20

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch

Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
Trong thực tế, lò điện trở 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
như sự an toàn trong hoạt động của lò điện trở, ta sẽ chọn một lượng công suất
dự trữ cho lò điện đề phòng trường hợp điện áp nguồn vì một lý do nào đó bị
sụt áp . Ngoài ra, trong quá trình hoạt động của mình, lò điện trở cũng chịu
thêm một số tổn thất khác như tổn thất trên các van bán dẫn, tổn thất trên đường
dây... nhưng do không đáng kể so với tổng tổn thất vì nhiệt của lò nên ta có thể
bỏ qua.
Khi α = 0 thì điện áp ra tải là hình sin hoàn toàn và đồng thời công suất ra tải
Pmax
cũng đạt công suất lớn nhất P =
vì vậy để đảm bảo đủ bù các tổn hao đã
nói ở trên ta chọn công suất lớn nhất của lò ứng với khi góc điều khiển α = 0 là:
Pmax

P=

= 35(kw)

Dựa vào công thức (1) ta tính được công suất ra tải khi α = 0
Pmax



2

U dm
=
2R t

2
U dm
3802
Rt =
=
2 Pmax 2.35.103

= 2,06(Ω)

ta xác định được dây điện trở của lò có giá trị là 2,06 (Ω). 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 được 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 ngược lớn nhất, dòng trung bình qua van ...
Như đã nói ở trên, hoạt động của mạch điều áp xoay chiều cũng tương tự như
mạch chỉnh lưu, cụ thể là mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu
song song ngược có nguyên lý hoạt động trong một chu kỳ cũng giống như
nguyên lý của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia. Vì vậy, ta có thể hoàn toàn áp
dụng các thông số chọn van của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia cho mạch điều
áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược. Cụ thể :
Điện áp ngược lớn nhất trên van :

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 21 / 42GVHD:

21

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
U ng max = 6 U f = 2U dm



U ng max = 2.380 = 537

(V)

Nhận xét : khi góc điều khiển α = 0 điện áp ra tải là hình sin và như vậy, dòng
trung bình qua van lúc này là lớn nhất. Từ đây ta có thể xác định được giá trị
dòng điện trung bình qua van.

1 π
I tb max = ∫ I max sin θdθ
2π 0
(do tải thuần trở nên i trùng pha với u )
I tb max =

I tb max =



U f max
[ − cos π − ( − cos 0)]
2πR
220. 2
π .2, 06

= 48,07 (A)

Khi chọn van ta phải chú ý đến điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt động, van
toả nhiệt rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả cũng
như tuổi thọ của van. Nếu van hoạt động trong điều kiện được 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 cưỡng bức thì
van có thể chịu được đến 30 ÷ 60% dòng định mức. Nếu làm mát bằng nước thì
van có thể chịu được đến 80% dòng định mức.
Thông thường trong công nghiệp thì van phải được làm mát tồi nhất là bằng
không khí có quạt gió cưỡng 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 cưỡng bức. Ta chọn các điều kiện thích hợp để van có thể chịu
dòng tới 40% dòng định mức của van.
Khi đó:
SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 22 / 42GVHD:

22

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

I tb

I tb max
40%

=

=

48, 07
40%

=120,75 (A)

Để chọn giá trị của điện áp ngược lớn nhất trên van, ta sẽ chọn thêm hệ số dự
trữ điện áp
ta chọn :

U ng

ku

ku

= 1,6 ÷ 2

= 1,6

k u U ng max
= .
= 1,6 . 537 =860 (V)
I tb

U ng

Từ các giá trị của
và
, tra trong sổ tay ta chọn được van T14-125 do Nga
sản xuất với các thông số như sau:
Itb=125A
Id=2500 A
I rò=25mA
Cấp điện áp 3-16;
Chọn Thyristor có cấp điện áp là 3 . Nên Udm=3000V
Cấp du/dt là 2-6. chọn cấp 2 có:

Cấp di/dt là 2-6. chọn cấp 2 có:

du
= 50V / µ s

dt

di
dt

=40A/s

Cấp tph là 1-4. chọn cấp 4 có: tph=70s
Udk=3,5V
Idk=200A
........
Kết luận, trong mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng cho lò điện trở này ta cần
dùng sáu van thyristor T14-125do Nga chế tạo.

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 23 / 42GVHD:

23

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường

ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa
Tính toán chọn bảo vệ van

•

Trong quá trình van hoạt động thì van phải được làm mát để van không bị phá
hỏng về nhiệt vì vậy ta đã tính toán chế độ làm mát cụ thể cho van rồi. Tuy
nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp quá
lớn. Để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên van dẫn đến hỏng van ta phải có
những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. Biện pháp bao vệ van thường 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 trở 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, người ta cần phải mắc vào trước van một cuộn dây để hạn chế tốc độ tăng
dòng. Cuộn dây được dựng là một cuộn kháng bão hồ có đặc tính là: khi dòng
qua cuộn kháng ổn định thì điện kháng của cuộn kháng hầu nhu bằng không và
lúc này cuộn dây dẫn điện nhu một dây dẫn bình thường.
Ta có mạch nhu hình vẽ:

Để tính toán giá trị của cuộn kháng ta xét quá trình quá độ trong mạch:

f

U = i.R + L.

di
dt

Ta thấy rằng tốc độ tăng dòng lớn nhất là:
di
dt

max =

U f max
L

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

max < 40A/µs

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 24 / 42GVHD:

24

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


ĐAXC 3 pha khởi động ĐC KĐB roto ngắn mạch
Môn: Điện tử công suấtTrường



U f max
L

Đồ án chuyên môn tự động hóa

< 40A/µs

U f max

L >

ĐHCN Hà Nội

40.10

6

=

220. 2
40.106

= 7,78 µH

Ta chọn cuộn kháng bão hồ có giá trị là 7,78 µH, loại lõi không khí vì điện cảm
nhỏ.
Sau khi tính toán bảo vệ chống tốc độ tăng dòng ta tính toán bảo vệ quá áp cho
van. Người ta chia ra hai loại nguyên nhân gây nên quá áp:
1 - Nguyên nhân nội tại: là do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi
khoá van thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại hành
trình, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh
chóng của dòng điện ngược gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn trong các
điện cảm, vốn luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các thyristor. Vì vậy,

giữa anot và catod của thyristor xuất hiện quá điện áp. Ta có 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 thường xẩy ra ngẫu nhiên
như khi đúng cắt không tải một máy biến áp trên đường 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 người ta
dựng mạch RC đấu song song với thyristor nhu hình dưới:

SVTH: Nguyễn Phúc Đoàn

Trang 25 / 42GVHD:

25

Th.s Nguyễn Đăng Toàn