Đồ án Thiết kế lò điện trở với các số liệu cho trước

1 THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI THIẾT KẾ LÒ ĐIỆN TRỞ 1. Đầu đề thiết kế : Thiết kế lò điện trở 2. Người thực hiện : Họ và tên Nguyễn Văn Khánh Lớp Tự Động Hoá 1 Khoá 47 Giáo viên hướng dẫn Phạm Quốc Hải Năm thực hiện : 2006 2 THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI THIẾT KẾ LÒ ĐIỆN TRỞ 1. Các số liệu cho trước : Nhiệt độ lò 400 - 600 ( 0 C) Công suất định mức 40 ( kW ) Tổn hao nhiệt 10 ( kW ) Điện áp nguồn lưới 3*380 ( V ) 2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán : Chương 1 Giới thiệu chung về lò điện trở Chương 2 Giới thiệu về mạch điều áp xoay chiều ba pha Chương 3 Thiết kế và tính toán mạch lực Chương 4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển Kết luận 3. 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. 3 MỤC LỤC Lời mở đầu ............................................................................................. 1 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện ............................................................. 2 1. Giới thiệu chung về lò điện ........................................................ 2. Giới thiệu chung về lò điện trở .................................................. 3. Cấu tạo lò điện trở ...................................................................... Chương 2: Giới thiệu chung về mạch điều áp xoay chiều ba pha .......................................................... 1. Mạch điều áp xoay chiều ................................................................... 2. Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất ra tải ............................... Chương 3: Thiết kế và tính toán mạch lực ......................................... 1. Tính toán chọn van bán dẫn ............................................................... 2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn ............................................................ Chương 4: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển ............................ 1. Nguyên lý chung của mạch điều khiển .............................................. 2. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển ............................................... 2-1. Khâu đồng pha ......................................................................... 2-2. Khâu tạo điện áp răng cưa (Utựa) ............................................. 2-3. Khâu so sánh ............................................................................ 2-4. Khâu phát xung chùm .............................................................. 2-5. Chọn cổng AND ...................................................................... 2-6. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung ................................... 2-7. Khâu phản hồi .......................................................................... 2-8. Khối nguồn .............................................................................. Kết luận ................................................................................................... Tài liệu tham khảo ................................................................................... 4 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 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 Phạm Quốc Hải. 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 và lò điện trở. 2. Thiết kế và tính toán mạch lực. 3. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển. 5 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LÒ ĐIỆN I-Giới thiệu chung về lò điện 1 - Định nghĩa 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 sất, 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 loại 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... 2 - Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau : - Có khả năng tạo được nhiệt độ cao - Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao - Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ - Kín - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyễn vật phẩm 6 - Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ 3 - Nhược điểm của lò điện - Năng lượng điện đắt - Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng II-Giới thiệu chung về lò điện trở 1 - 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 toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ : Q=I2RT Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J) I - Dòng điện tính bằng Ampe (A) R - Điện trở tính bằng Ôm T - Thời gian tính bằng 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 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. 2 - Những vật liệu dùng làm dây nung a) - 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 yều cầu sau : + Chịu nóng tốt, ít bị ôxy 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 trở phải nhỏ + Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi 7 + Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng + Dễ gia công, dễ hàn hoăc dễ ép khuôn b)- Dây nung kim loại Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung như : + Điện trở suất nhỏ + Hệ số nhiệt điện trở lớn + Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyễn bình thường Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng c) - Dây nung phi kim loại Dây nung phi kim loại dùng phổ biến là SiC, grafit và than. III-Cấu tạo lò điện trở I- Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện 1 - Hợp lý về công nghệ Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công nghệ yêu cầu mà cọn 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 biệt quan trọng trong khi nhu cầy về lò điện vượt xa khả năng sản xuất ra nó. 2 - Hiệu quả về kỹ thuật Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiêu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó xác định ( kích thước ngoài, công suất, trọng lượng giá thànhv.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 cở bản của hiệu quả kỹ 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. 3 - Chắc chắn khi làm việc 8 Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng kết cấu của các lò điện. Thường các lò điện làm viêc 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 suất 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 kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột ( nghĩa là phá huỷ chế độ làm việc bình thường vủa lò ) có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liêu và làm tăng giá thành sản phẩm. Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả nằng 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... 4 - Tiện lợi khi sử dụng Tiện lợi khi sử dụng nghĩa 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 quí 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. 5 - Rẻ và đơn giản khi chế tạo Về mặt này yêu câu như sau : - Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm ( các kim loại mầu, các hợp kim có hàm lượng niken cao v.v... ) - Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày công ít nhất và tận dụng đưọc các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo để gia công. - Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất. - Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn và thuận tiện khi lắp ráp. 9 - 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. 6 - Hình dáng bề 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. II - Cấu tạo lò điện trở Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung. 1 - Vỏ lò Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chị 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 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 chị 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 thườnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v... - Vỏ lò tròn dùng 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 dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình. 10 Vỏ lò chữ ngật 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. 2 - 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. 3 - 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. 11 Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại. 12 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA I - Mạch điều áp xoay chiều ba pha : Như đã nói ở trên, công suất ra tải của lò được tính theo công thức: P = 3. t 2 f R U Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải , ta có thể thay đổi tR hoặc fU . Tuy nhiên, trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi fU để có thể thay đổi công suất ra tải. Khi có sẵn một nguồn điện xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải ta có thể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) dùng van bán dẫn. Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van ). Do diot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà ta lại yêu cầu điện áp ra tải là xoay chiều nên trong mạch điều áp xoay chiều người ta không dùng diot mà dùng triac vì đây là loại van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nó. Tuy nhiên, do triac không thông dụng bằng thyristor nên thực tế người ta thường dùng sơ đồ 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới : 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. 13 Một ưu điểm của việc sử dụng hai van thyristor đấu song song ngược nhau thay thế cho triac trong nạch điều áp xoay chiều là khả năng điều khiển để mở và khoá thyristor dễ dàng hơn nhiều so với triac. Ta có đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều : 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. Như 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 như biến áp hoặc động cơ điện,... nên chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn. Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp xoay chiều thường sử dụng là các mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hình sao( Y ) hoặc tải hình tam giác (Δ ). 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 14 sang nhau và nó còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như sơ đồ đấu van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải... Hình trên là sơ đồ thường dùng nhất, đó là sơ đồ có sáu thyristor đấu thành ba cặp song song ngược. II - 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 như điện áp, dòng điện, công suất... Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng 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 α : Công suất tải là : R.I.3P 2= 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 như sau : • Nếu mỗi pha có một van dẫn ( hay toàn mạch có ba van dẫn) : )sin( R3 Ui dm ϕ+θ= • Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn ) : )sin( R2 U i dm ϕ+θ= trong đó : dmU là biên độ điện áp dây. ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét. 15 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 α = 0 ÷ o60 : Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ thị dưới đây : Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α : R.I.3P 2= = )d 3 sind 4 sind 3 sind 4 sind 3 sin( R U3 3 2 23 2 3 2 23 2 3 23/ 3 3 222 dm θθ+θθ+θθ+θθ+θθπ ∫∫∫∫ ∫ π α+π α+π π π α+π π α α+π π = ]