thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ổn định nhiệt độ lò sấy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƢƠNG I. MÔ HÌNH HOÁ LÒ ĐIỆN TRỞ ............................................ 3
1.1. Tổng quan về lò điện trở....................................................................... 3
1.1.1. Giới thiệu chung. ............................................................................ 3
1.1.2. Nguyên lý làm việc. ....................................................................... 4
1.1.3. Cấu tạo của lò điện trở. .................................................................. 4
1.2. Mô hình hoá . ...................................................................................... 10
1.2.1. Yêu cầu và chế tạo. ...................................................................... 10
1.2.2. Mô hình hoá. ................................................................................ 10
CHƢƠNG II.THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY
CHIỀU MỘT PHA (AC-AC). ...................................................................... 15
2.1. Các phƣơng pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha. ................ 15
2.1.1. Phân áp. ........................................................................................ 15
2.1.2. Biến áp tự ngẫu. ........................................................................... 16
2.1.3. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều bằng các phần tử điện tử công
suất. ...................................................................................................... 16
2.2. Bộ điều áp xoay chiều một pha sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất.
............................................................................................................ 17
2.2.1. Bộ biến đổi công suất sử dụng thyristor ...................................... 17
2.2.2. Thiết kế bộ biến đổi AC – AC sử dụng thyristor. ........................ 20
2.2.3. Bộ biến đổi công suất sử dụng linh kiện bán dẫn SSR . .............. 28
2.3. Mô hình hoá khâu AC – AC . ............................................................. 30
CHƢƠNG III. XÂY DỰNG KHÂU PHẢN HỒI NHIỆT ĐỘ................... 31
3.1. Các phƣơng pháp điều khiển ổn định nhiệt độ. .................................. 31
3.1.1. Phƣơng pháp điều khiển PID. ...................................................... 32
3.1.2. Phƣơng pháp điều khiển On – Off . ............................................. 37


3.2. Các phƣơng pháp đo nhiệt độ và một số loại cảm biến nhiệt độ. ...... 38

3.2.1. Các phƣơng pháp đo nhiệt độ ...................................................... 38
3.2.2. Một số loại cảm biến nhiệt độ. ..................................................... 39
3.3. Mô hình hóa khâu phản hồi nhiệt độ. ................................................. 44
CHƢƠNG IV. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH
NHIỆT ĐỘ.

................................................................................................ 47

4.1. Sơ đồ khối hệ thống. ........................................................................... 47
4.2. Thiết kế bộ điều khiển. ....................................................................... 47
4.2.1. Cấu trúc hệ thống. ........................................................................ 47
4.2.2. Xây dựng bộ điều khiển PID. ....................................................... 47
4.3. Chế tạo bộ điều khiển. ........................................................................ 50
4.5. Đánh giá chất lƣợng bộ điều khiển. .................................................... 54
KẾT LUẬN .................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 56


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Ứng dụng. .......................................................................................... 3
Hình 1.2. Dây nung kim loại. ............................................................................ 9
Hình 1.3. Bên trong và bên ngoài mô hình thực tế. ........................................ 10
Hình 1.4. Các bƣớc của quá trình mô hình hoá. ............................................. 11
Hình 1.5. Đƣờng cong đặc tuyến của lò điện trở. ........................................... 13
Hình 1.6. Xây dựng hàm truyền từ đƣờng cong thực nghiệm. ....................... 14
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp điều áp bằng phân áp. .................... 15
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý điều áp bằng máy biến áp tự ngẫu. ...................... 16
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý điều áp bằng bộ biến đổi công suất...................... 16
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý điều áp một pha sử dụng thyristor. ...................... 17
Hình 2.5. Sơ đồ mô phỏng. ............................................................................. 18

Hình 2.6. Góc mở 30°. .................................................................................... 19
Hình 2.7. Góc mở 90°. .................................................................................... 19
Hình 2.8. Góc mở 120°. .................................................................................. 20
Hình 2.9. Sơ đồ khối bộ biến đổi AC – AC sử dụng thyristor........................ 20
Hình 2.10. Sơ đồ mạch điều khiển thyristor bằng TCA785. .......................... 21
Hình 2.11. Giới thiệu TCA 785 ...................................................................... 21
Hình 2.12. Dạng sóng của các chân TCA785. ................................................ 23
Hình 2.13. Sơ đồ khối chức năng chân của TCA785. .................................... 25
Hình 2.14. Module nguồn LM 2596. .............................................................. 26
Hình 2.15. Biến áp xung. ................................................................................ 26
Hình 2.16. Transistor TIP41C. ........................................................................ 26
Hình 2.17. Thyristor TYN1225 ....................................................................... 27
Hình 2.18. Đặc tuyến bộ AC - AC .................................................................. 28
Hình 2.19. Sơ đồ kết nối của SSR. .................................................................. 29
Hình 2.20. SSR - 25DA................................................................................... 30
Hình 3.1. Nguyên tắc điều khiển có phản hồi. ............................................... 31
Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển PID. ..................................................... 32


Hình 3.3. Sơ đồ mạch của khâu P sử dụng OA. ............................................. 33
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý của khâu tích phân I sử dụng OA. ....................... 33
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của khâu vi phân D sử dụng OA.......................... 34
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý của bộ PID sử dụng OA. ...................................... 35
Hình 3.7. Sơ đồ điều khiển. ............................................................................. 37
Hình 3.8. Cấu tạo RTD. .................................................................................. 39
Hình 3.9. Cấu tạo cảm biến IC bán dẫn. ......................................................... 41
Hình 3.10. Cảm biến LM35. ........................................................................... 42
Hình 3.11. Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu.............................................. 43
Hình 3.12. a) Sơ đồ cặp nhiệt ngẫu; b) Sơ đồ nối cặp nhiệt ngẫu .................. 43
Hình 3.13. Cảm biến LM35. ........................................................................... 44

Hình 3.14. Đặc tuyến khâu phản hồi. .............................................................. 45
Hình 4.1. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống. ..................................................... 47
Hình 4.2. Sơ đồ hệ thống khi chƣa có PID. .................................................... 48
Hình 4.3. Đáp ứng hệ thống khi chƣa có PID ................................................. 48
Hình 4.4. Sơ đồ hệ thống khi có PID. ............................................................. 49
Hình 4.5. Đáp ứng hệ thống khi có PID.......................................................... 49
Hình 4.6. Đáp ứng hệ thống với bộ PID trên. ................................................. 50
Hình 4.7. Arduino Uno.................................................................................... 50
Hình 4.8. LCD 16x2 I2C. ................................................................................ 51
Hình 4.9. Sơ đồ kết nối thiết bị. ...................................................................... 51
Hình 4.10. Bên trong bộ điều khiển. ............................................................... 54
Hình 4.11. Bên ngoài sản phẩm và LCD giám sát nhiệt độ. ........................... 54


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Quan hệ thời gian và nhiệt độ lò sấy. ............................................. 12
Bảng 2.1. Kí hiệu và chức năng các chân của TCA785. ................................ 22
Bảng 2.2. Các thông số của TCA785. ............................................................. 23
Bảng 2.3. Khảo sát quan hệ vào ra của bộ AC – AC. ..................................... 27
Bảng 3.1. Quan hệ nhiệt độ và điện áp của khâu phản hồi. ............................ 45


MỞ ĐẦU
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hằng ngày, năng lƣợng nhiệt
đóng một vai trò rất quan trọng. Năng lƣợng nhiệt có thể đƣợc dùng trong các
quá trình công nghệ khác nhau nhƣ nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn
đúc, sấy nông sản .v.v.v. Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lƣợng này một cách
hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết. Lò điện trở đƣợc ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp, nông nghiệp vì đáp ứng đƣợc nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở
lò điện trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế

đƣợc nhiệt độ ổn định của lò.
Em chọn làm đề tài “Mô hình hóa và thiết kế, chế tạo bộ điều khiển
ổn định nhiệt độ lò sấy” trên cơ sở những lý thuyết đã học đƣợc trong môn
học “Lý thuyết điều khiển tự động” kèm theo đó là kiến thức của các môn cơ
sở ngành “Điện tử công suất”.
Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu và xây dựng đƣợc hàm truyền của các khâu trong bộ điều
khiển lò điện trở. Tổng hợp hệ thống và mô phỏng để các định các tham số
của bộ điều khiển PID.
Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu, nhiệm vụ của đề tài phải giải quyết
đƣợc các vấn đề sau:
+ Nghiên cứu chế tạo đƣợc mô hình lò sấy bằng điện trở nhiệt.
+ Nghiên cứu chế tạo đƣợc bộ điều khiển công suất lò sấy.
+ Nghiên cứu chế tạo khâu phản hồi nhiệt độ của lò.
+ Khảo sát và xây dựng đƣờng đặc tuyến cho từng đối tƣợng.
+ Tổng hợp hệ thống và mô phỏng để xác định các tham số của bộ điều
khiển PID.
Đề tài của em là thực hiện trên mô hình lò sấy có:

1


Thể tích buồng làm việc: 45 lít.
Công suất: 1000W.
Cấu trúc báo cáo
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tham khảo và phụ lục, báo cáo gồm có 4
phần:
CHƢƠNG I. MÔ HÌNH HOÁ LÒ ĐIỆN TRỞ.
CHƢƠNG II. THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY
CHIỀU 1 PHA.

CHƢƠNG III. XÂY DỰNG KHÂU PHẢN HỒI.
CHƢƠNG IV. CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ.

2


CHƢƠNG I. MÔ HÌNH HOÁ LÒ ĐIỆN TRỞ
1.1. Tổng quan về lò điện trở.
1.1.1. Giới thiệu chung.
1.1.1.1. Định nghĩa
Lò điện trở là thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong
các quá trình công nghệ khác nhau nhƣ nung hoặc nấu luyện các vật liệu kim
loại, các hợp kim v.v….

Hình 1.1. Ứng dụng.
Lò điện trở hiện nay đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kĩ thuật:
+ Sản xuất thép.
+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.
+ Sản xuất các hợp kim phe rô.
+ Sản xuất đúc và kim loại bột.
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm: sấy nông sản, sấy vật phẩm chất
liệu vải, gỗ v.v…
+ Lò điện trở còn đƣợc sử dụng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ,
các vật liệu chịu nhiệt v.v…

3


Và hiện nay, với nguồn điện năng phong phú thì lò điện trở ngày càng phổ
biến trong công nghiệp và đời sống sinh hoạt hằng ngày của con ngƣời.

1.1.1.2. Ưu nhược điểm
+ Ƣu điểm:
− Có khả năng tạo đƣợc nhiệt độ cao.
− Đảm bảo đƣợc tốc độ nung lớn và năng suất cao.
− Đảm bảo nung đều và chính xác do nhiệt độ đƣợc điều khiển bằng
điện.
− Có thể tiến hành điều khiển theo hệ kín.
− Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong 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.
+ Nhƣợc điểm:
− Năng lƣợng điện đắt.
− Yêu cầu lao động có trình độ cao khi sử dụng.
1.1.2. Nguyên lý làm việc.
Nguyên lý làm việc: Khi có dòng điện chạy qua một cuộn dây dẫn có
điện trở là R thì trên dây dẫn sẽ tỏa ra một nhiệt lƣợng theo định luật Jun –
Len xo.
Q = I2 RT
Q – lƣợng nhiệt tính ( J )
I – cƣờng độ dòng điện ( A )
R – điện trở ( Ω )
T – thời gian ( s )
1.1.3. Cấu tạo của lò điện trở.
1.1.3.1. Những yêu cầu cơ bản.
+ Hợp lý về công nghệ: Là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình
yêu cầu mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ
khác nếu nhƣ làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành một cách
4

rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo đƣợc điều kiện nhƣ thế mới coi là hợp lý nhất.
Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu về lò điện vƣợt xa khả năng sản
xuất ra nó.
+ Hiệu quả về kĩ thuật: Là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu
khi các thông số của nó xác định (kích thƣớc ngoài, công suất, trọng lƣợng,
giá thành v.v...). Đối với một số 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 các thành phần riêng
biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kĩ thuật đƣợc đánh giá bằng công suất
dẫn động, momen xoắn, lực, v.v… ứng dụng trọng lƣợng, kích thƣớc hoặc giá
thành kết cấu.
+ Chắc chắn khi làm việc: Là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của
chất lƣợng kết cấu của các lò điện. Thƣờng 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 hƣởng đến quá trình sản xuất chung. Điều kiện
này đặc biệt quan trọng trong dây chuyền sản xuất tự động. Ngay đối với lò
điện làm việc chu kỳ, lò ngừng hoạt động cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản
xuất vì khi ngừng lò đột ngột (nghĩa là phá huỷ chế độ làm việc bình thƣờng
của lò) có thể dẫn đến làm hƣ hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liệu và làm
tăng giá thành sản phẩm. Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của
một bộ phận của lò điện đó là khả năng thanh thế nhanh hoặc khả năng dự trữ
lớn khi lò làm việc bình thƣờng. 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.
Ví dụ: dây nung, băng tải, v.v….
+ Tiện lợi khi sử dụng:
Tức 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.
5

− Số lƣợng các thiết bị hiếm, quý bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu
nhất.
− Bảo dƣỡng, kiểm tra và sửa chữa tất các các bộ phận của thiết bị thuận
lợi.
− An toàn lao động, điều kiện làm việc phải hớp vệ sinh và tuyệt đối an
toàn.
+ Rẻ và đơn giản khi chế tạo:
Yêu cầu:
− Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý và hiếm.
− Công nghệ chế tạo đơn giản: khả năng chế tạo phải sao cho ngày công
ít nhất và tận dụng đƣợc các thiết bị, dụng cụ thông thƣờng có sẵn trong các
nhà máy chế tạo gia công.
− Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất.
− Sử dụng đến sức tối ta các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng
đổi lẫn và thuận tiện khi tháo lắp, thay thế.
− Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo (đúc,
hàn, dập .v.v.. ). Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lí.
+ Thẩm mỹ: Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải
có hình dáng và tỉ lệ các cạnh phù hợp, dễ nhìn. Tuy vậy cũng cần chú ý đến
độ bền của kết cấu khi trọng lƣợng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp, quan hệ
khăng khít với nhau. Việc gia công lần chót nhƣ 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.
1.1.3.2. Cấu tạo.
Lò điện trở thông thƣờng gồm 3 phần: Vỏ lò, lớp lót và dây nung.
a) Vỏ lò.
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng lƣợng
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 tƣơng đối của lò.
6


Đối với các lò làm việc với khí cụ bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn
kín, còn đối với các lò điện trở bình thƣờng, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn
thất nhiệt và tránh sự lùa không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trƣờng hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc
kín.
Khung vỏ cần cứng vững đủ để chịu 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 thƣờng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy nung…..
+ Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp….
Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên tròn tốt hơn vỏ lò hình chữ nhật khi
cùng một lƣợng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, ngƣời ta
thƣờng dùng thép dày 3 – 6 mm với đƣờng kính vỏ lò 1000 – 2000 mm, 8 –
12 mm đƣờng kính vỏ lò 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm đƣờng kính vỏ lò
4500 – 6600 mm. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, ngƣời ta
thƣờng dừng các đệm tăng cƣờng bằng các loại thép hình.
Vỏ lò hình chữ nhật đƣợc dựa lên nhờ thép hình U, L và thép tấm cắt
theo hình thích hợp. Vỏ lò có thể đƣợc bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu
kín của lò. Phƣơng pháp gia công vỏ lò này chủ yếu là hàn và tán.
b) Lớp lót.
Lớp lót lò điện trở thƣờng gồm hai phần: Vật liệu chịu lửa và cách nhiệt.
Phần vật liệu chịu lửa có thể xây dựng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch
hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng , kích thƣớc đã cho của buồng lò.
Cũng có khi ngƣời ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết
gọi là khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong vỏ lò và có thể tiến
hành ở ngoài nhờ các khuôn.
Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Chịu đƣợc nhiệt độ làm việc cực đại của lò.
+ Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
7


+ 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 đƣợc tác đụng của khí quyển lò
và ảnh hƣởng của vật nung.
+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu (điều này đặc biệt quan trọng đối
với lò làm việc chu kì).
Phần cách nhiệt thƣờng nằm giữa vỏ lò và 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 đội bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung
không yêu cầu.
Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt:
+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu.
+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu.
+ Ổn định về tính chất vật lí, 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 nguyên lý làm việc thì ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:
+ Vật nung: Trƣờng hợp này gọi là nung trực tiếp.
+ Dây nung: Khi dây nung đƣợc nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung
bằng bức xạ, đối lƣu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trƣờng hợp này gọi là nung
gián tiếp.
Trƣờng 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).

Trƣờng hợp thứ hai thƣờng gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho
nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung,
bộ phận phát nhiệt của lò.

8


+ Vật liệu làm dây nung:
− Yêu cầu: Do 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 oxi hoá ở nhiệt độ cao.
▪ Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao.
▪ Điện trở suất phải lớn.
▪ Hệ số nhiệt điện trơ phải nhỏ.
▪ Các tính chất điện phải cố định ít bị thay đổi.
▪ Các kích thƣớc phải không thay đổi khi sử dụng.
▪ Dễ gia công, dễ hàn gắn hoặc dễ ép khuôn.
+ Phân loại:
− Dây nung kim loại

Hình 1.2. Dây nung kim loại.
Để đảm bảo các yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công
nghiệp, dây nung kim loại đều đƣợc chế tạo bằng các hợp kim Crom-Nhôm
và Crom-Niken là các hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất
đƣợc dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thƣờng
có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung nhƣ:
▪ Điện trở suất nhỏ.
▪ Hệ số nhiệt trở lớn.
▪ Bị oxy hoá mạnh trong môi trƣờng khí quyển bình thƣờng.
− Dây nung phi kim loại:

9


Dây nung phi kim loại dùng phổ biến : SiC, grafit và than.
1.2. Mô hình hoá .
1.2.1. Yêu cầu và chế tạo.
Các yêu cầu ban đầu của mô hình lò điện trở: thể tích lò 45 lít, nhiệt độ
làm việc 50

- 70 , công suất sinh nhiệt của lò là 1000W.

Mô hình lò đƣợc chế tạo gồm 3 phần cơ bản :
+ Khung lò đƣợc làm bằng tôn xám có độ dày 1mm tạo thành khung lò có
kích thƣớc trong lòng là 30 - 30 - 50 (cm) và thể tích là 45 lít.
+ Phần cách nhiệt đƣợc làm bằng thạch cao chịu nhiệt.
+ Sợi đốt là nơi chuyển điện năng thành nhiệt năng đƣợc cấu tạo từ Crom –
Niken và có điện trở 47,7Ω. Lò sử dụng 1 dây ra nhiệt có công suất 1000W.

Hình 1.3. Bên trong và bên ngoài mô hình thực tế.
1.2.2. Mô hình hoá.
1.2.1.1. Các phương pháp mô hình hoá.
Để mô hình hoá đối tƣớng điều khiển hay một phần tử của quá trình điều
khiển thì ta thƣờng có hai phƣơng pháp.

10


a. Xây dựng mô hình theo các bƣớc lý thuyết:

Hình 1.4. Các bước của quá trình mô hình hoá.
b. Xây dựng mô hình cách khảo sát thực nghiệm.
Để thực hiện đƣợc phƣơng pháp này ta cần có đối tƣợng và tiến hành
hảo sát thông số đầu vào và đầu ra để từ đó vẽ đƣợc đƣờng đặc tuyến. Sau đó
sử dụng phƣơng pháo Ziegler – Nichols để đề xuất ra mô hình hàm truyền của
đối tƣợng.
1.2.2.2. Mô hình hoá theo phương pháp thực nghiệm Ziegler – Nichols.
Nhƣ đã giới thiệu mô hình lò sấy ở trên có cấu tạo gồm:
+ Lò điện trở có công suất: 1000W.
+ Lò có buồng lò, lối vào ra của không khí và quạt thông gió, lớp cách nhiệt.

11


Với cấu tạo lò khá phức tạp, việc để tính toán xây dựng mô hình theo lý
thuyết là khó. Nên trong đề tài này, em sử dụng phƣơng pháp xây dựng mô
hình theo thực nghiệm Ziegler – Nichols.
Nhằm mục đích có thể điều khiển đƣợc ở độ quá tới hạn nên em khảo sát
lò sấy ở 80% công suất lò.
Tiến hành khảo sát thực nghiệm với điện áp đặt vào bộ ra nhiệt là U =
180 (V) – 80% công suất lò, với quan hệ thời gian và nhiệt độ lò thì ta có nhƣ
sau:
Bảng 1.1. Quan hệ thời gian và nhiệt độ lò sấy.
Thời

Nhiệt

Thời

Nhiệt

Thời

Nhiệt

Thời

Nhiệt

gian

độ

gian

độ

gian

độ

gian

độ

(s)

(

)

(s)

(

)

(s)

(

)

(s)

(

)

0

28

200

39.8

400

57

620

70

10

28

210

40

420

58

630

70.6

20

28.4

220

41

430

59

640

71

30

28.7

230

42

450

60

650

71.6

40

28.9

240

43.5

460

61.8

660

72

50

29

250

44

470

62

670

72.5

60

29.5

260

45

480

63

680

73

70

29.9

270

46

490

63.9

690

73.4

80

30

280

47.5

500

64

700

74

90

30.3

290

47.8

510

64.7

710

74.2

100

30.5

300

48

520

65

720

74.4

110

31

310

49.7

530

65.5

730

74.7

12


120

32

320

50

540

66

740

74.9

130

33

330

51

550

66.7

750

75

140

34

340

52

560

67

760

75

150

35

350

53.8

570

67.5

770

75

160

35.9

360

54

580

68

780

7

170

36

370

55

590

68.8

790

75.1

180

37.5

380

56

600

69

800

75.1

190

38

390

57

610

69.7

Vẽ đồ thị đặc tuyến giữa thời gian và nhiệt độ lò ta có đƣờng đặc tuyến:

Hình 1.5. Đường cong đặc tuyến của lò điện trở.
Từ kết quả thực nghiệm trên, sử dụng phƣơng pháp Ziegler – Nichols để
đề xuất ra mô hình hàm truyền của lò nhƣ sau:

13


Hình 1.6. Xây dựng hàm truyền từ đường cong thực nghiệm.
Theo đồ thị từ thực nghiệm ta có:
h = 75°C : Giá trị bão hòa nhiệt độ

k=

=

= 0.41

L = 80 (s): Thời gian trễ.
T= 590 – 80 = 510 (s) là hằng số thời gian.
Vậy ta có mô hình hóa của lò sấy đƣợc thể hiện qua hàm truyền là:

14


CHƢƠNG II.

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN

ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA (AC-AC).
2.1. Các phƣơng pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha.
Trong nội dung đề tài, em chọn phƣơng án cấp nguồn điện xoay chiều
(AC) một pha cho tải công suất nên em tập trung phân tích các phƣơng pháp
điều chỉnh công suất theo điện áp AC-AC.
2.1.1. Phân áp.

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều áp bằng phân áp.
Tuy nhiên phƣơng pháp này hiện nay ít đƣợc sử dụng vì hiệu quả không
cao.
Do trong quá trình vận hành thì điện áp vào từ nguồn là không thay đổi
còn sự thay đổi điện áp trên tải mà ta cần là do đã có một phần điện áp rơi
trên điện trở phụ làm cho tiêu hao nhiều năng lƣợng (nhiệt) ở điện trở phụ,
dẫn đến hiệu quả sử dụng không cao. Tuy nhiên phƣơng pháp này rẩt đơn
giản và dễ thực hiện. Đặc biệt với tải có công suất nhỏ và dòng nhỏ thì có thể
sử dụng phƣơng pháp này vì tổn hao có thể chấp nhận đƣợc, còn với tải có
công suất lớn thì phƣơng pháp này không nên sử dụng.

15


2.1.2. Biến áp tự ngẫu.

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý điều áp bằng máy biến áp tự ngẫu.
Theo sơ đồ trên thì ngƣời ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh
điện áp xoay chiều ra U2 thay đổi từ 0 đến trị số bất kỳ, có thế lớn hơn, bằng
hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào.
Vì vậy nếu yêu cầu phải điều chỉnh trong dài rộng (điện áp ra nhỏ, bằng
và lớn hơn cả điện áp đầu vào) thì máy biến áp tự ngẫu là một lựa chọn tối ƣu.
Tuy nhiên sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh thì khó thực hiện khi
dòng tải lớn (do tiếp xúc giữa chổi than và các vòng dây sẽ có thể phát ra tia
lửa điện khi dòng lớn) và cồng kềnh.
Đặc biệt là không điều chỉnh liên tục đƣợc vì do chổi than khó chế tạo để
có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp. Do đó điện áp đầu ra là các
giá trị gián đoạn.
2.1.3. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều bằng các phần tử điện tử công
suất.

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý điều áp bằng bộ biến đổi công suất.

16


Phƣơng pháp này khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của hai phƣơng pháp ở
trên.
Đó là có hiệu suất cao, lƣợng tổn thất điện năng ít, điện áp điều khiển
đƣợc liên tục.
Tuy nhiên, phƣơng pháp này vẫn chỉ cho phép điều chỉnh điện áp trong
khoảng tử 0 đến bằng điện áp nguồn, và đòi hỏi phải có trình độ cao trong
thiết kế, vận hành và sửa chữa.
Tuy nhiên lựa chọn phƣơng pháp nào còn tuỳ thuộc vào điều kiện thực tế
của nơi cần áp dụng.

Và với yêu cầu của đề tái thì chúng em lựa chọn phƣơng pháp là điều
chỉnh điện áp AC thông qua bộ biến đổi công suất sử dụng các phần tử công
suất.
Trong nội dung đề tài này, em lựa chọn phƣơng án điều áp thông qua bộ
điều áp xoay chiều một pha sử dụng các phần tử điện tử công suất.
2.2. Bộ điều áp xoay chiều một pha sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất.
2.2.1. Bộ biến đổi công suất sử dụng thyristor.
Sơ đồ nguyên lý của mạch điều áp xoay chiều một pha sử dụng thyristor:

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý điều áp một pha sử dụng thyristor.
Trong mạch này để điều áp xoay chiều thì sử dụng hai Thyristor T1 và
T2 mắc ngƣợc nhau để có thể có thể điều chỉnh cả hai nửa chu kỳ.

17


Nguyên lý hoạt động:
Giả sử ở nửa chu kỳ đầu thì T1 đƣợc phân cực thuận nhƣng chƣa đƣợc
mở mà chỉ mở khi có tín hiệu đƣợc cấp vào cực điều khiển nên góc mở của
T1 là trong khoảng từ 0° đến 180°, còn T2 là ở trạng thái khóa do bị phân cực
ngƣợc. Ở nửa chu kỳ còn lại thì T2 đƣợc phân cực thuận nhƣng cũng chƣa
đƣợc mở vì chƣa có tín hiệu kích mở đến cực điều khiển và nó chỉ mở khi có
tín hiệu điều khiển với góc mở là từ 180°C đến 360°C, còn trong nửa chu kỳ
sau T1 bị phân cực ngƣợc nên không hoạt động.
+ Thực hiện mô phỏng thì có:
Sơ đồ:

Hình 2.5. Sơ đồ mô phỏng.

+ Kết quả mô phỏng:

Với góc mở 30°:

18


Hình 2.6. Góc mở 30°.
Với góc mở 90°:

Hình 2.7. Góc mở 90°.

19


Với góc mở 120°:

Hình 2.8. Góc mở 120°.
2.2.2. Thiết kế bộ biến đổi AC – AC sử dụng thyristor.
2.2.2.1. Sơ đồ khối.

Hình 2.9. Sơ đồ khối bộ biến đổi AC – AC sử dụng thyristor.
2.2.2.2. Sơ đồ mạch điều áp xoay chiều 1 pha sử dụng thyristor

20