Thiết kế bộ điều khiển và khống chế nhiệt độ cho lò điện trở 3 pha công suất lớn

Lời Nói Đầu
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày ,năng lượng nhiệt đóng
một vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng để nung nóng,sấy …
Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và có hiệu quả là rất
cần thiết. Lò điện trở được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được
nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở lò điện điện trở,yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là
phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò. Đây cũng chính là yêu cầu của
đồ án tốt nghiệp mà em đã được giao.
Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ đạo tần tình của các thầy cô
giáo trong ngành Điện-Điện Tử trường Đại học Mỏ-Địa Chất, em đã kết thúc khoá
học và tích luỹ được vốn kiến thức nhất định. Được sự đồng ý của nhà trường và
các thầy cô giáo trong khoa em đã được giao đề tài tốt nghiệp:” thiết kế bộ điều
khiển và khống chế nhiệt độ cho lò điện trở 3 pha công suất lớn”
Đồ án tốt nghiệp của em gồm 3 chương:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về lò điện trở.
Chương 2: Lựa chọn sơ đồ mạch điện của lò điện trở.
Chương 3: Tính chọn các phần tử mạch lực của lò điện trở.
Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của
thầy giáo PGS.TS Đinh Văn Thắng, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời
hạn. Do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ chuyên môn còn nhiều hạn chế nên
không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp để đồ án này ngày càng hoàn thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đinh Văn Thắng, các thầy cô
giáo trong bộ môn đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua.
Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm
2017
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN MẠNH HƯNG.


TRANG

LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………….…............1
MỤC LỤC………………………………………………………………………...2
DANH MỤC HÌNH VẼ…………………………………………………………..3
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ
1.1 Giới thiệu chung về lò điện trở……………………………………………...5
1.1.1 Khái niệm……....……………………………………………………..5
1.1.2Nguyênlý làm việc của lò điện trở ……………..………………..........5
1.1.3 Những vật liệu làm dây nung……………..………………………......6
1.1.4 Cấu tạo lò điện trở……………………………………………………..6
1.1.5 Phân loại lò điện trở…………………………………………………...8
1.1.6 Cách loại điện trở thông dụng………………………………………....9
1.2 Những vấn đề cần phải lưu ý trong việc thiết kế lò điện trở……..…….......11
CHƯƠNG II: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN.
2.1 Xây dựng sơ đồ khối chức năng của mạch………………………………….15
2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch lực…………………………………………….….....16
2.3 Xây dựng sơ đồ mạch điều khiển……………………………………….......20
2.3.1 Mạch điều khiển………………………………………………………21
2.3.2 Cấu trúc mạch điều khiển thyristor…………………………………...22
2.3.3 Nguyên tắc điều khiển…………………………………………….......23
2.3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển………………………………….....23
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CHỌN PHẦN TỬ CHO MẠCH
3.1 Những số liệu cần thiết ban đầu……………….…………………………..26
3.2 Tính chọn vật liệu sợi đốt………………………………………………….27
3.3 Tính chọn công suất cho lò điện………………………………………......28
3.3.1 Tính chọn mạch lực…………………………………………………..28
3.3.2 Tính toán mạch điều khiển…………………………………………...33
3.3.3 Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển…………………………...…...48
KẾT LUẬN.……………………………………………..………………………....52

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….53
DANH MỤC HÌNH VẼ
TRANG
Hình
1.1
Kết
cầu
buồng……………………………………………………….9
Hình1.2
Lò
………….10

chụp

của

lò

………………………………………………………..

Hình1.3 Lò muối ………………………………………………………………...…
11
Hình1.4 Lò giếng…………………………………………………………………...11
Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng mạch điện lò điện trở………………………………
15
Hình
2.2
Sơ
đồ
nối

sao
tính…………………………………….16
Hình 2.3. Đồ thị điện áp pha Ua với α =
Hình 2.4. Đồ thị điện áp pha Ua với α =
Hình 2.5. Đồ thị điện áp pha Ua với

α

30°
75°

=

không

có

dây

trung

, góc dẫn van ………...17
, góc dẫn van ……………….18

120°

, van dẫn hai đoạn bằng (150- ), xen

giữa là đoạn nghỉ không có van nào dẫn ( -90)…………………………………..19
Hình 2.6. Mối quan hệ giữa công suất tải và góc α…………………………………

20
Hình

2.7.

Giản

đồ

cấu

trúc

mạch

điều

khiển………………………………………..22
Hình

2.8.

Sơ

đồ

nguyên

lý

mạch

điều

khiển

1

kênh.

……………………………….24
Hình

3.1.

Sơ

đồ

mạch

lực

của

hệ

thống…………………………………………….26
Hình

3.2.

Bảng

thông

van…………………………………………………...28

số

của


Hình 3.3. Sơ đồ mạch lực khi đã có các thiết bị bảo vệ dòng và
áp………………..33
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý điều khiển 1 kênh……………………………………...33
Hình 3.5. Sơ đồ khâu đồng pha…………………………………………………… 34
Hình 3.6. Sơ đồ khâu đồng pha mô phỏng trên Psim………………………………
34
Hình 3.7. Giản đồ điện áp khâu đồng pha………………………………………….35
Hình 3.8. Sơ đồ khâu tạo điện áp tựa( dạng răng cưa)……………………………..35
Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng khâu điện áp tựa……………………………………….36
Hình 3.10. Giản đồ tín hiệu điện áp ra khâu điện áp tựa…………………………...37
Hình 3.11. Sơ đồ khâu so sánh……………………………………………………..37
Hình 3.12. Sơ đồ mô phỏng khâu so sánh………………………………………….38
Hình 3.13. Tính hiệu điện áp ra của sơ đồ khâu so sánh……………………………
38
Hình

3.14.

Sơ

đồ

khâu

phát

xung

chùm…………………………………………….39
Hình 3.15. Sơ đồ mô phỏng khâu phát xung chùm…………………………………
40
Hình

3.16.

Tín

hiệu

đầu

ra

khâu

phát

xung

chùm…………………………………..40
Hình

3.17.

Sơ

đồ

phối

hợp

tạo

xung

chùm

dùng

cổng

AND……………………….41
Hình 3.18. Tín hiệu điện áp ra………………………………………………………
41
Hình

3.19.

Sơ

đồ

khuếch

đại

xung

và

đại

xung

biến

áp

xung………………………………...42
Hình

3.20.

sơ

đồ

mô

phỏng

khâu

khuếch

và

biến

áp

xung………………..46
Hình 3.21. Giản đồ điện áp khâu khuếch đại và biến áp xung………………………
46


Hình

3.22.

Sơ

đồ

đo

nhiệt

độ

trong

lò

lấy

tín

hiệu

điện

áp

ra

là

Et…………………………..47
Hình

3.23.

Sơ

đồ

khâu

khuếch

đại

mạch

điều

phản

hồi………………………………...48
Hình

3.24.

Sơ

đồ

khiển

một

ra

một

kênh………………………………………..49
Hình

3.25.

Giản

đồ

điện

áp

kênh…………………………………………….50

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ
1.1. Giới thiệu chung về lò điện trở
1.1.1, Khái niệm
Lò điện trở là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng thông qua dây
đốt (dây điện trở). Từ dây đốt qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt
năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường dùng để nung, sấy, nấu
chảy kim loại, ...


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 một dây dẫn
hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxo:
Q=I2RT.
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 băng 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 hoặc 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 liệu làm dây nung,
bộ phận làm phát nhiệt của lò.
1.1.3, Những vật liệu dùng làm dây nung

a) Yêu cầu của vật làm dây nung:
Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năng
thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ vật liệu thỏa mãn các yêu cầu
sau:
- Chịu được nhiệt độ cao.
- Độ bền cơ khí lớn.
- Có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài khó bố trí trong lò
hoặc tiết diện dây nhỏ, không bền).
- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo công
suất lò).
- Chậm hóa già (tức là dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo tuổi
thọ của lò).


b) Vật liệu làm dây đốt
- Hợp kim: Cr - Ni, Cr - Al… với lò có nhiệt độ làm việc dưới 12000C.
- Hợp chất: SiC, MoSi2 … với lò có nhiệt độ làm việc 12000C ÷ 16000C.

- Đơn chất: Mo, W, C (graphit)…với lò điện trở làm việc cao hơn 16000C.
Do đó căn cứ vào khoảng nhiệt độ làm việc để chọn vật liệu làm dây đốt cho phù
hợp. Trong đồ án này đòi hỏi nhiệt độ 800 – 1000 0C nên chọn vật liệu làm dây đốt
là hợp kim Cr - Ni có thành phần hóa học là 20 – 23%Cr, 75 – 78%Ni, còn lại là Fe
và các chất khác.
1.1.4, Cấu tạo lò điện trở
Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính :- Vỏ lò
- Lớp lót
- Dây nung

a)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, cần 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 chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật
nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
Vỏ lò hình chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung…
Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp…
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. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép
tấm dày:
•

3 – 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm

•

8 – 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm

•

14 – 20 mm khi đường kính vỏ lò là 4500 – 6500 mm


Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng đệm tăng
cường bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình chữ U, L và thép tấm cắt theo
hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tùy theo yêu cầu kín
của lò.
Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.

b)

Lớp lót

Lớp lót lò điện trở 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 tùy 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 hóa 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 vật 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.

c) Dây nung
Theo các đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung ra
làm hai loại: +Dây nung kim loại
+Dây nung phi kim loại.
Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại.
1.1.5, Phân loại lò điện trở
Phân loại lò điện trở có nhiều cách:

 Theo nhiệt độ làm việc của lò:
- Lò nhiệt độ thấp (t < 6500C)
- Lò nhiệt độ trung bình ( 6500C < t < 12000C)
- Lò nhiệt độ cao ( t > 12000C)

 Theo nơi dùng:
- Lò dùng trong công nghiệp.
- Lò dùng trong phòng thí nghiệm.
- Lò dùng trong gia đình v.v…

 Theo dặc tính làm việc:
- Lò làm việc gián đoạn.
- Lò làm việc liên tục.

 Theo kết cấu của lò:
- Lò buồng
- Lò giếng, lò chụp, lò bể…

 Theo mục đích sử dụng
- Lò tôi
- Lò ram
- Lò ủ
- Lò nấu chảy v.v…


Lò điện trở có kết cấu đợn giản, dễ khống chế nhiệt độ, dễ cơ khí hoá và tự động
hoá. Hiệu suất sử dụng nhiệt có thể đạt (65 ÷ 75) %.
Ở Việt Nam thường dùng lò điện trở kiểu buồng để nhiệt luyện ( tôi, ủ, nung,
thấm than); lò giếng để nung, nhiệt luyện; lò muối để luyện dao cắt qua muối nung.
1.1.6, Các loại lò điện trở thông dụng.
Các lò điện trở hiện dùng ở Việt Nam có nhiều kiểu, loại, nguồn gốc khác
nhau. Đa phần là của Nga, một số khác của Đức, Hungari. Séc…và một số lò thí
nghiệm hoặc lò công suất nhỏ dùng sấy, nung, nhiệt luyện của Mỹ, Pháp, Ý, Nhật,
Trung Quốc…. Một số lò là do Việt Nam thiết kế, chế tạo theo tiêu chuẩn của Nga.

Lò buồng là loại lò phổ biến nhất vì có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác
nhau.

Hình 1.1. Kết cấu của lò buồng.
Buồng lò có kết cấu hình chữ nhật với kích thước tuỳ theo công suất lò. Lớp áo
4 của buồng lò được xây bằng gạch chịu lửa và có nhiều lớp. Lớp ngoài cùng bằng
gạch Samot hay bột Samot có tính cách nhiệt cao. Bọc ngoài là vỏ tôn dày từ 5 – 10
mm. Đáy lò bằng thép chịu nhiệt đúc liền hoặc ghép lại từ những miếng nhỏ hoặc
xây dựng bằng gạch chịu lửa. Dây đôt 5 đặt ở thành xung quanh buồng lò và có thể
bố trí cả ở phía đáy lò và đỉnh lò. Đầu dây đốt đưa qua lò qua ốc nối 2 . Phía của lò
còn có lỗ thăm để quan sát trong lò, có cửa khí 6 để dẫn khí bảo vệ vào lò( do


không khí thâm nhập vào buồng lò qua cửa lò, gây hiện tượng oxy hoá, thoát
cacbon của vật gia nhiệt). Đỉnh lò có đầu đo nhiệt độ, cơ cấu đóng mở của lò 1.
+)Một số loại lò điện trở thông dụng:
-

Lò chụp:

Hình 1.2. Lò chụp
1.Khung chụp; 2. Lớp lót; 3.Khung bệ; 4. Lớp lót bệ; 5,6. Dây đốt ở chụp;
7. Dây đốt trên bệ; 8. Múp lò; 9. Cửa khí; 10. Nhiệt kế.

-

Lò muối:


Hình 1.3. Lò muối.

Gồm các bộ phận: 1, Đầu đây cấp điện.
3, Điện cực.
5, Lớp lót.

2, Chụp lò.
4, Vách ngăn.

6, Vỏ bên trong.

7, Hoả kế(do nhiệt độ cao
8, Vỏ bên ngoài.
-

Lò giếng:

Hình 1.4 lò giếng.


Gồm có các bộ phận sau:
1,Cơ cấu nắp quay.

2,Nắp

3,Vỏ lò.

4,Lớp lót

5,Các tấm dẫn hướng khí.

6,Giỏ lò.

7,Tấm đáy lò.

8,Dây đốt

9,Đầu kiểm tra khí.

10,Cửa khí.

11,Đầu đo nhiệt.
1.2. Những vấn đề cần phải lưu ý trong việc thiết kế lò điện trở.

a)Hợp lý về công nghệ
Hợp lý về công nghệ 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 biệ quan trọng trong khi nhu cầu về lò điện trở vượt xa khả năng sản
xuất ra nó.

b)

Hiệu quả về kĩ thuật

Hiệu quả về kĩ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi các
thông số nó xác định( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng giá thành v.v…).
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 v.v…là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu
quả kĩ 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 v.v… ứng với

trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu.

c) Chắc chán khi làm việc
Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất
lượng kết cấu của các là 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 chuyền sản xuất tự động. Ngay đối
với các lò điện làm việc chu kì, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì


khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá hủy chế độ làm việc bình thường của lò) có thể
dẫn đến các hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liệu và tăng giá thành sản
phẩm.
Một trong những chỉ tiêu 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 v.v…

d)

Tiện lợi khi sử dụng

Tiện lợi khi sử dụng 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 quý 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.
e) Rẻ và đơn giản khi chế tạo
Về mặt này như sau:
- Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý 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 các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máy
chế tạo gia công.
- Các vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất.
- Sử dụng 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.
f) Hình dáng 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 coi.
Tuy vậy 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
bề ngoài của lò điện. Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết.


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ.
2.1. Sơ đồ khối chức năng của mạch điện của lò điện trở.
Ta có sơ đồ khối chức năng:

Đầu vào

AC

Khối điều khiển
công suất
(khối đóng ngắt)

Nguồn

Khối điều áp

Tải

Hình 2.1. Sơ đồ khối chức năng mạch điện lò điện trở.
Trong sơ đồ khối chức năng của mạch điện của lò điện trở gồm có các khâu
chính sau:
+ Đầu vào AC:
-

Bảo vệ quá dòng, ngắt nguồn điện cấp điện khi điện áp đầu vào tăng cao.

+ Nguồn:
-

Nguồn cung cấp điện cho lò điện.

+ Khối điều áp: Dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay chiều ra tải.
- Khối điều áp là mạch điều áp xoay chiều ba pha cấp điện cho dây điện trở
của lò.
- Nguyên tắc điều chỉnh của khối điều áp là điều chỉnh góc mở của van bán
dẫn.

+ Khối điều khiển công suất ( khối đóng ngắt): Thực hiện chức năng điều chỉnh
và ổn định nhiệt độ của lò điện trở, bằng cách khống chế công suất cho đưa vào lò.
Gồm 3 khối:
-

Khối điều khiển xung pha.
Khối tổng hợp tín hiệu điều khiển.
Khối bảo vệ quá dòng.

2.2. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực


Vì tải là thuần trở nên để tiện dụng ta sử dụng bộ biến đổi xung áp xoay chiều
ba pha cho mạch lực.
Với các phần tử bảo vệ mạch lực:
- Bảo vệ quá trình cho Van (sử dụng RC mắc song song với Van).
- Bảo vệ tốc độ tăng dòng di/dt (sử dụng cuộn cảm L).
Do giả định lò điện trở có công suất định mức là 40KW, ta lựa cho bộ điều
chỉnh điện áp ba pha đấu sao không dây trung tính.
+) Sơ đồ nguyên lý mạch lực.

Ua

Hình 2.2. Sơ đồ nối sao không có dây trung tính

 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ.
Khi bộ biến đối xung áp ba pha được đấu sao không có dây trung tính, quá
trình điện từ hoàn toàn khác với sơ đồ trên hình vì quá trình dẫn dòng trong một pha
phải tương thích với quá trình dẫn dòng trong các pha khác.
Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây

trung tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp
3 pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc α.
Khi đóng hoặc mở 1 thyristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của
hai pha còn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp chảy qua ba pha hoặc chỉ qua
hai pha. Không có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng.
Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha của nó
( ,, )


Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên pha tương ứng bằng ½ điện áp
trên dây của hai pha mà có hai thyristor dẫn điện ( ví dụ:

trong khoảng T 1 ÷ T2 và

trong khoảng T4 ÷ T5)
Sau đây ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trường hợp sau với tải R.
Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn
cũng thay đổi theo.
Ta thấy có 3 khoảng điều khiển chính:
0° ≤ ≤ 60°
 Khoảng dẫn van ứng với
α
:
Trong phạm vi góc α này sẽ có các giai đoạn 3 van và 2 van dẫn xen kẽ nhau.
Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

2

3

4

5

6

7

Hình 2.3. Đồ thị điện áp pha Ua với α =

30°

, góc dẫn van

Dựa vào sơ đồ ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa tải P và góc điều
khiển α

Công suất tải:
P1 =

 Khoảng dẫn van ứng với :

(1)


Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn.
Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:
θ1

θ

θ

θ

θ

θ
θ

4

2

7

Hình 2.4. Đồ thị điện áp pha Ua với α =

75°

, góc dẫn van

Dựa vào sơ đồ ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa tải P và góc điều
khiển α
Công suất tải:
P2 =

 Khoảng dẫn van ứng với

α

=

(2)

90° ÷ 150°

Trong trường hợp này chỉ có các giai đoạn 2 van dẫn hoặc không van nào dẫn
cả.
Dạng điện áp của pha Ua như hình dưới:


Hình 2.5. Đồ thị điện áp pha Ua với

α

=

120°

, van dẫn hai đoạn bằng (150- ), xen

giữa là đoạn nghỉ không có van nào dẫn ( - 90)
Công suất tải:

P3 =

(3)

***) Theo ba biểu thức (1), (2), (3) và các giá trị α khác nhau và lấy P ở α = 0 là
100% ta có bảng các giá trị và đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất tải và góc
α.
α
0
20
30
40
50
60
70
80

P%
100
98.6
95.6
90.2

81.8
70.6
57.16
42.8

α
90
100
110
120
130
140
150
0

P%
29.3
18.1
9.7
4.3
1.3
0.1
0
0

P%

Hình 2.6. Mối quan hệ giữa công suất tải và góc α
Nhận xét:
Công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển α = 0, nhưng với α = 30

cũng có công suất xấp xỉ khi α = 0.


Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải
thuần trở đấu tam giác không dây chung tính, dạng điện áp từng pha cũng như vậy.
Tuy nhiên, do tải đấu tam giác nên khi mạch có ba van dẫn thì điện áp rơi trên điện
trở tại giữa hai dây là điện áp dây, khi mạch có hai van dẫn thì điện áp rơi trên
điện trở tại giữa hai dây là điện áp dây còn điện áp rơi trên hai điện trở còn lại
bằng một nửa điện áp dây.
2.3. Xây dựng mạch điều khiển.
Mạch điều khiển nhiệt độ của lò nhằm mục đích tạo ra một nhiệt độ thích hợp
với điều kiện sử dụng của lò. Việc điều khiển nhiệt độ bằng cách điều chỉnh điện áp
và dòng điện cấp cho sợ đốt, mà việc điều chỉnh dòng điện và điện áp là điều chỉnh
góc mở của Thyristor.
1, Mạch điều khiển.
Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi thyristor ( tạo ra các
xung vào những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu
thyristor).Chính vì vậy mà nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng
và độ tin cậy của bộ biến đổi.
Các yêu cầu đối với mạch điều khiển:
+ Phát xung điều khiển (xung để mở van) đến các van lực theo đúng pha và
với góc điều khiển α cần thiết.
+ Đảm bảo phạm vi góc điều chỉnh αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi
điện áp tải của mạch lực.
+ Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải
yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế độ dòng điện liên tục hay
gián đoạn, chế độ hãm hay đảo chiều điện áp,…
+ Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 1 ÷ 3, tức là góc điều
khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên.
+ Đảm bảo mạch làm việc ổn định và tin cậy khi lưới điện dao động cả về giá

trị điện áp và tần số.
+ Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt
+ Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1 ms.
+ Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển, nếu cần,
như ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thường
với lưới và bản thân bộ chỉnh lưu,…


+ Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắn
van, có nghĩa là phải thỏa mãn các yêu cầu:
- Đủ công suất thể hiện ở điện áp và dòng điều khiển Uđk, Iđk.
- Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định,
thường tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10 V/μs, tốc độ tăng dòng điều khiển 0,1
A/μs.
-

Độ qua xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng

điện duy trì Idt của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái dẫn.
- Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải.
2, Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor.
Ulực

Utựa

ĐB

Uss

Urc

Uđb

SS

Ugk

Udx

DX

KĐX

Uđk

Hình 2.7. Giản đồ cấu trúc mạch điều khiển
+, Khâu đồng pha (DF)
Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp của biến áp mạch lực và cách ly
điện áp cao phía mạch lực và mạch điều khiển điện áp thấp.
+, Khâu tạo điện áp tựa ( tạo điện áp răng cưa Urc)
Tạo điện áp răng cưa có chu kì làm việc theo chu kì của điện áp đồng pha
+, Khâu so sánh (SS)
So sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm hai điện áp
này bằng nhau để phát xung điều khiển, tức là xác định được góc α
+, Khâu dạng xung (DX)
Tạo ra xung phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu, hiện nay người ta
thường sử dụng xung chùm.
+, Khâu khuếch đại xung (KĐX)
Thường dùng biến áp xung nhằm khuếch đại tín hiệu xung và cách ly giữa
mạch lực và mạch điều khiển.

+, Khâu bảo vệ quá dòng.
Khi dòng điện lớn hơn dòng cho phép(hoặc lớn hơn 1 giá trị cho trước), ngắt
xung để bảo vệ quá dòng.
+, Khâu kết thúc quá trình khởi động.
Khi U đk = Uđkmax và Iđc < I* thì kết thúc quá trình khởi động, đóng CTT nối
trực tiếp động cơ vào lưới điện.


Thay đổi Uđk có thế điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là có thể điều chỉnh
được góc α
3, Nguyên tắc điều khiển
Có 2 nguyên tắc:
A, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.
Uđk + Ut đưa đến đầu vào của 1 khâu so sánh bằng cách làm biến đổi U đk ta có thể
điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung tức là điều chỉnh được góc α.
Khi Uđk = 0 thì α = 0
Khi Uđk < 0 thì α > 0
Quan hệ giữa α và Uđk như sau:

α=

Ta lấy đkmax = Utmax
B, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccor.
Nguyên tắc này dùng 2 điện áp :
Điện áp đồng bộ U t vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng ( nếu
UAK = Asinωt thì Ut = Bcosωt ).
UAK có thể điều khiển được theo hai hướng dương và âm.
Uđk + Ut được đưa đến đầu khâu so sánh. Khi Uđk + Ut = 0 ta nhận được một
xung ở đầu ra ở khâu so sánh.
Uđk + Bcosα = 0

→ α = arccos()
Thường lấy B = Uđkmax
Khi Uđk = 0 thì α =
Nguyên tắc này được dùng trong các thiết bị chỉnh lưu tốc độ cao.
Nhận xét: Yêu cầu của đề bài là điện áp xoay chiều ba pha nên ta có thể dùng
nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì nó đơn giản và đáp ứng được yêu
cầu của mạch lực.
4, Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển một kênh.


Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 1 kênh
Nguyên lý hoạt đông:
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động mạch được đưa đến mạch đồng pha.
Đầu ra của mạch đồng pha có các điện áp thường là dạng hình sin, cùng tần số và có
thể lệch pha một góc xác định với điện áp nguồn, gọi là điện áp đồng pha. Các điện
áp đồng pha được đưa vào phát điện áp răng cưa( mạch khuếch đại thuật toán OA).
Đầu ra của điện áp răng cưa được đưa vào đầu của khâu so sánh. Tại đó có một tín
hiệu khác là điện áp phản hồi tương đương với nhiệt độ của lò.
Tín hiệu đầu ra của khâu so sánh là các xung xuất hiện với chu kì bằng chu kì
Urc. Xung răng cưa có hai sườn trong đó có một sườn tại đó │Urc│= │Udk│ thì đầu
ra khối xuất hiện một xung điện áp, sườn đó là sườn sử dụng. Vậy có thể thay đổi
thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi Udk khi giữ
nguyên dạng Urc. Nhưng đa số tín hiệu ra của khối so sánh chưa đủ yêu cầu cần
thiết, ta cần phải thực hiện việc khuếch đại và sửa xung…Đầu ra mạch tạo xung sẽ
thu được chuỗi xung điều khiển Thyristor có đủ yêu cầu về công suất, độ dốc, độ
dài…
Thời điểm bắt đầu thực hiện các xung hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện
xung trên đâu ra khối so sánh. Khối so sánh xác định được góc điều khiển α.

Thay đổi Udk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được
góc α.