Điều chỉnh và khống chế nhiệt độ lò điện trở

Bộ giáo dục và đào tạoTrường Đại học Bách khoa Hà nộiThiết kế đồ án môn họcđề tàiđiều chỉnh và khống chế nhiệt độ lò điện trở1. Đầu đề thiết kế :Thiết kế bộ điều chỉnh và tự động khống chế nhiệt độ lò điện trở 2. Giáo viên hướng dÉnD­¬ng Văn NghiNăm thực hiện :20043. Người thực hiện :Họ và tên Nguyễn Tuấn PhườngLớp Tự Động Hoá 2Khoá 464. Ngày giao đồ án môn học :5. Ngày hoàn thành đồ án :Ngµyth¸ngn¨mGiáo viên hướng dẫn(Ký ghi rõ họ tên )Kết quả điểm đánh giá :- Quá trình thiết kế :- Điểm duyệt:- Điểm bảo vệ: Thiết kế đồ án môn họcđề tàiđiều chỉnh và khống chế nhiệt độ lò điện trở1. Các số liệu cho trước :Nhiệt độ lò800 - 1000 ( C)Công suất định mức250( kW )Tổn hao nhiệt 22( kW )Điện áp nguồn lưới3*380 ( V )2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :Chương 1Lò điện trở và quá trình nhiệt luyện kim loạiChương 2 Đề xuất các phương án tổng thể và lựa chọn phương ánChương 3Thiết kế và tính toán mạch lựcChương 4Thiết kế và tính toán mạch điều khiểnKết luận3. Các bản vẽ :Bản vẽ tổng thể toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và mạch điều khiển ) trên giấy vẽ kỹ thuật khổ A2. Mục lụcLời mở đầu4Chương 1: Lò điện trở và quá trình nhiệt luyện kim loại51.Lò điện trở52.Quá trình nhiệt luyện kim loại8Chương 2: Đề xuất và lựa chọn phương án101. Phương án 1102. Phương án 212Chương 3: Tính toán mạch lực171.Tính toán chọn van bán dẫn172.Tính toán bảo vệ van bán dẫn21Chương 4: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển241.Nguyên lý chung của mạch điều khiển242.Sơ đồ tổng thể mạch điều khiển263.Tính toán mạch điều khiển........27Kết luận38Tài liệu tham khảo39 Lời nói đầuTrong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đúng một vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dựng để nung nóng, sấy khô... 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 trở, yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được khiệt độ của lò. Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án môn học điện tử công suất mà em đã được giao.Đồ án đã được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Dương Văn Nghi. Đồ án được chia thành ba phần chính sau:1.Giới thiệu sơ lược về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò điện trở.2.Thiết kế và tính toán mạch lực.3.Thiết kế và tính toán mạch điều khiển. Chương 1- lò điện trở và quá trình nhiệt luyện kim loạiI-Lò điện trở1 - Định nghĩaLò 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, 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...v.v2 - Nguyên lý làm việc của lò điện trởLò 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 toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenx¬ :Q=I2RTQ - Lượng nhiệt đơn vị là Jun (J)I - Dòng điện đơn vị là Ampe (A)R - Điện trở đơn vị là Ôm ()T - Thời gian đơn vị là giây (s)Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trị :-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 dựng 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.3 - Những vật liệu dùng làm dây nunga) - 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 yÒu cầu sau :+ Chịu nóng tốt, ít bị «xy 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(vì điện trở suất nhỏ dẫn đến dây dài , khó bố trí trong lò hoặc tiết diện dây phải nhỏ không bền)+ Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ(vì điện trở ít thay đổi theo nhiệt độ đảm bảo công suất lò)+ Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi+ Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng+ Dễ gia công, dễ hàn ho¨c dễ ép khuônb)- Vật liệu làm dây đốt có thể là:+Hợp kim Cr«m-Niken;Cr«m-Nhôm...với lò có nhiệt độ làm việc dưới 12000C. Hiện nay hai hợp kim này được dựng chủ yếu trong công nghiệp vì nó có điện trở suất lớn, độ bền cơ và độ bền nhiệt tốt, hệ số nhiệt điện trở nhỏ...+Hợp chất SiC,MoSi2... với lò có nhiệt độ làm việc 120016000C+Hợp chất Mo,W,C(graphÝt) với lò có nhiệt độ làm việc cao hơn 16000CDo đó căn cứ vào khoảng nhiệt độ làm việc, chọn được vật liệu làm dây đốt cho phù hợp. Trong đồ án này đòi hỏi nhiệt độ lò 80010000C nên chọn được vật liệu làm dây đốt là hợp kim Cr«m-Niken thành phần hóa học : 2023%Cr ; 7578%Ni còn lại là Fe và các chất khác.4 - Cấu tạo lò điện trởLò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung.a - Vỏ lòVỏ 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 dựng 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 lựa 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 chữ nhật th­ênng dựng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v... - Vỏ lò tròn dựng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v... - Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. 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 và 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.Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dựng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình.Vỏ 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. b - Lớp lótLớp 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.c - Dây nungTheo 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 dựng phổ biến là dây nung kim loại.5 - Ưu điểm của lò điện trở so với các lò nung nhiên liệu -Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao-Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ -Kín-Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyÔn vật phẩm-Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹII- Quá trình nhiệt luyện kim loại 1- Nhiệt luyện : là phương pháp gia công nhiệt bao gồm nung nóng kim loại đến nhiệt độ xác định , giữ nhiệt một thời gian , sau đó làm nguội với tốc độ khác nhau ta có các phương pháp nhiệt luyện khác nhau. T0CGi÷ nhiệt`Tnung Làm nguộit(giờ)2-Các phương pháp nhiệt luyện:+Tôi: quá trình làm nguội nhanh bằng các dung dịch chất lỏng như: xót , nước . Tôi làm tăng độ cứng , độ bền của sản phẩm.+Ram: quá trình làm nguội chậm sau khi đã sử dụng phương pháp tôi . Ram làm giảm ứng suất bên trong, tăng độ dai va chạm ,do đó tăng độ bền+ủ: quá trình làm nguội từ từ , chậm (theo lò) để được tổ chức cân bằng. ủ: làm giảm độ cứng tăng độ dẻo, giảm ứng suất bên trong , đồng đều thành phần hóa học.+Thường hóa: quá trình làm nguội tương đối nhanh ngoài không khí tĩnh . Thường hóa để làm tăng lượng C¸cBon liên kết , nâng cao độ cứng, độ bền, để chống mài mòn hoặc để cố định lại tổ chức ở trạng thái Ostenit()3- Một ứng dụng điển hình của lò điện trởLò điện trở làm việc trong dải nhiệt độ 80010000C được ứng dụng rất đa dạng trong nhiều công nghệ khác nhau nh­:+ ủ kim loại để giảm độ cứng+ Tôi hợp kim đen, hợp kim màu để nâng cao độ cứng.+ Nung vật phẩm hợp kim trước khi gia công nóng: rèn , dập, cán, kéo...+ Thường hóa các vật phẩm cơ khí để tăng độ cứng , độ bền, chống mài mòn+Hóa nhiệt luyện : thÊm các bon cho các sản phẩm để làm tăng lượng các bon ở lớp bề mặt kim loại, cải thiện đặc tính của kim loạiXét ứng dụng của lò này vào công nghệ thường hóa vật đúc bằng Gang trước khi đem gia công cắt gọt. Vật đúc có độ cứng thấp nên khó gia công cắt gọt , do phoi kim loại có dạng xoắn , dể gây tai nạn ,rất nguy hiểm. Do đó yêu cầu nhất thiết là phải Thường hóa trước khi gia công •Yêu cầu kỹ thuật của quá trình thường hóa vật đúc bằng Gang:Dạng vật đúc nhiệt độ giữ nhiệtthời gian giữ nhiệt+vật đúc lớn 9009500C0,21,0 giờ cho 25mm chiều dày vật đúc+vật đúc vừa8709200C+vật đúc nhỏ 8509000C==>Yêu cầu trong giai đoạn giữ nhiệt nhiệt độ chỉ được dao động trong khoảng 250C. Nghĩa là nếu vật đúc lớn cần giữ nhiệt độ ở 925 250C . Nếu nhiệt độ giữ nhiệt nhỏ hơn 9000C thì vẫn còn một số vùng của vật chưa chuyển pha sang tổ chức Ostenit+Xªmentit. Do đó vật không đạt được độ cứng yêu cầu sau quá trình làm nguội . Còn nếu nhiệt độ giữ nhiệt cao hơn 9500C thì khi đem làm nguội trong không khí Gang sẽ bị «xi hóa mạnh do đó cũng làm giảm chất lượng bề mặt vật đúc. Chương 2đề xuất các phương án tổng thể và lựa chọn phương ánThực chất của việc khống chế và điều khiển nhiệt độ lò điện trở là khống chế và điều khiển công suất phát ra tải:P= Do đó phải điều chỉnh điện áp xoay chiều UI-Phương án 1Dựng mạch điều áp xoay chiều 3 pha có dây trung hòa, nh­ hình vẽ 2 . 1-Nguyên lý hoạt động Mạch hoạt động giống nh­ mạch điều áp xoay chiều 1 pha ở mỗi pha. Các pha dẫn dòng độc lập nhau.Xét một pha:Hình dạng điện áp thể hiện trên hình vẽ 3. Do tải thuần trở nên hình dạng dòng điện tương tự hình dạng điện áp.Điện áp hiệu dụng trên tải:Ut= =U2 Công suất ra tải: đồ thị hình 4P=3 =3 2-Ưu và nhược điểma-Ưu điểm: Điện áp ngược cực đại trên van nhỏ ,chỉ là điện áp pha.b-Nhược điểm: Nhược điểm của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hồ bậc cao. Và một nhược điểm nữa là khi góc mở các van khác 0 điện áp trên các pha trong mỗi chu kỳ gồm 2 mảnh hình sin và 2 khoảng gián đoạn nên có dòng tải gián đoạn Do nhược điểm trên nên trong thực tế mạch này được dựng rất ít, và chỉ thích hợp với tải có 4 đầu ra.II-Phương án 2:Dựng 6 Tiristo đấu song song ngược , tải đấu sao không có dây trung hòa, nh­ hình vẽ 51-Nguyên lý hoạt động *Đối với 1 pha: nh­ hình 6 các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp thyristor đấu song song ngược này là dòng xoay chiều. Các van thyristor được phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng.Một ưu điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngược nhau thay thế cho triac trong n¹ch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở và khoá thyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac.Các mạch điều áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong quá trình điều chỉnh, mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở như lò điện trở , bóng đèn loại sợi đốt v...v... Dòng điện sẽ liên tục và đồng thời trở thành hình sin hoàn chỉnh chỉ khi điện áp ra tải lấy bằng điện áp nguồn. Nh­ vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận được một dải n sóng hài hình sin. Mặc dù vậy, với tải là điện trở thuần của lò điện trở thì việc dạng điện áp ra tải không sin cũng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng nh­ biến áp hoặc động cơ điện,... nên chỉ dựng khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn.*Đối với mạch xoay chiều 3 pha: tải mắc hình sao( Y ) hoặc tải hình tam giác ( ). Quá trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn nhiều so với mạch một pha vì ở đây các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải... 2- Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai đoạn sẽ có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật dưới đây ta có thể có được biểu thức điện áp của từng giai đoạn, từ đó mới tiến hành tính toán. Dưới đây là các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha:•Nếu mỗi pha có một van dẫn thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối ra tải.•Nếu chỉ hai pha có van dẫn thì một pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó điện áp đưa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn.•Không thể có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng.Dựa vào quy luật dẫn dòng của van trong từng giai đoạn mà ta có thể xây dựng được đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều ba pha. Tiếp theo, từ những biểu thức điện áp của từng giai đoạn đó ta lại có thể tính toán được các đại lượng cần tính nh­ điện áp, dòng điện, công suất... Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dựng sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và góc  :Công suất tải là : trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải. Dòng điện này biến thiên theo hai trong ba quy luật dẫn dòng của van nh­ sau :• Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) : • Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) : trong đó : là biên độ điện áp dây. là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét.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 ba khoảng điều khiển chính :1)Khoảng dẫn của van ứng với  = 0  :Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau nh­ đồ thị dưới đây :