Đồ án: Điện áp xoay chiều 3 pha điều khiển nhiệt độ lò sấy 600800oC

Mô phỏng trong proteus Chương 1- Giới thiệu về lò điện trở 1.1 - Giới thiệu chung về lò điện 1.1.1 - Định nghĩa Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng tron

Đề tài : Diều áp xoay chiều 3 pha điều khiển nhiệt độ lò sấy 600-800 ̊C

U=380V, f=50Hz, Công suất định mức 4kW

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 được khiệt độ của lò Đây cũng chính là yêu cầu của đồ án 1 mà em đã được giao

Đồ án đã được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Vũ Đức Trọng đã giúp em hoàn thành đồ án này 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 Sơ đồ mạch động lực

3 Tính toán mạch lực

4 Mạch điều khiển

5 Mô phỏng trong proteus

Chương 1- Giới thiệu về lò điện trở

1.1 - Giới thiệu chung về lò điện

1.1.1 - 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

1.1.2 - 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

- Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ

1.1.3 - Nhược điểm của lò điện

- Năng lượng điện đắt

- Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng

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 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

1.3 - Cấu tạo lò điện trở

Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung

1.3.1 - 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 –

1.3.2 - 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

2.1 Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng Thiristor

2.1.1 Sơ đồ tải đấu sao dùng thiristor có trung tính

-Ưu điểm:

Điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn sơ

đồ khác vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện

2.1.2 Sơ đồ tải đấu sao dùng thiristor không trung tính

Ưu điểm:

Nhược điểm :

Ở đây dòng điện chạy giửa các pha với nhau, nên đồng thời phảicấp xung điều khiển

cho hai thyristor của hai pha một lúc Việc cung cấp xung điều khiển như thế, đôi

khi gắp khó khăn trong mạch, ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lưới cũngcó thể

làm cho sơ đồ không hoạt động

2.1.3.Sơ tải đấu tam giác dùng thiristor

Ưu điểm:

-Số lượng van bán dẫn tại các chế độ sẽ giảm

- Làm đơn giản hóa tín hiệu điều khiển Không

cần thiết xung điều khiển rộng hoặc xung

khẳng định để đàm bảo sơ đồ hoạt động

Chỉ cần 1 xung đơn là đủ

Nhược điểm:

- Tuy nhiên nếu các Thyristor nối tam giác sẽ có điện áp ngược cực đại phải chịu là

từ 1.5Vm đến 3Vm

2.2 Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng Triac

2.2.1 Sơ đồ tải đấu sao dùng Triac có trung tính

Tương tự như sơ đồ tải đấu sao dùng 2 thiristor nối ngược có trung tính

Ưu điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách ghép

2.2.2 Sơ đồ tải đấu sao dùng Triac không trung tính

Tương tự như sơ đồ tải đấu sao dùng 2

thiristor nối ngược không trung tính

Ưu điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và

đơn giản về cách ghép

2.2.3Sơ tải đấu tam giác dùng Triac

Tương tự như sơ đồ tải đấu sao dùng thiristor nối ngược nối tam giác

Ưu điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách ghép

2.3.Lựa chọn bộ điều áp xoay chiều

- Với mạch động lực hình sao có trung tính, đòng điện chạy trên dây pha với dây trung nên việc điều khiển giống bộ điều áp một pha nên mạch điều khiển đơn giản

 Ta chọn sơ đồ : Điều áp 3 pha dùng triac có trung tính với tải đấu sao

Dòng điện trên van : 4 6,1

3 os 3.0,38.1

P Iv

U c 

Vì dòng van không quá lớn nên ta chọn cách làm mát bằng gió cưỡng bức, khi đó van có thể chụi được dòng đến 40% dòng đanh định trên van Chọn van có Idm= 15A

Vậy ta chọn van BCR150B12 có Udm =600V, Idm =150A, Ipinkmax= 2000A, Igmax

=300mA, Ugmax =3V…

Chương 4: Mạch điều khiển

4.1 Nguyên tắc điều khiển Triac

4.1.1 Điều khiển Triac thẳng đứng tuyến tính

Để điều khiển được góc mở anpha với điện áp giữa anot và catot UAK, ta phải tạo điện áp xung răng cưa Urc

Dùng điện áp răng cưa hoặc tam giác so sánh với điện áp điều khiển Uđk Tại thời điểm : Urc= Uđk hoặc Utg= Uđk thì ta phát xung điều khiển

Bằng cách thay đổi Uđk từ 0  Urcmax ta thay đổi góc mở α từ 1800o

Trong đó góc mở anpha được tính theo công thức:

α =180-∏ Uđk

Urc (Trong α tính theo đơn vị rađian)

Ưu điểm của sơ đồ này là góc mở α tuyến tính với Uđk do đó dễ điều chỉnh, do vậy khi thiết kế ta chọn cách điều khiển này

4.1.2 Điều khiển theo arcos

Giả sử ta có nguồn UAK= Um .sin wt

Ta đặt vào 1 điện áp đồng bộ vượt trước một góc ∏/ 2 khi đó:

4.2Sơ đồ khối mạch điều khiển

4.3 Sơ đồ khối mạch tạo điện áp điều khiển Udk

4.4 Các khâu trong mạch điều khiển

4.4.1.Mạch đồng hai nửa chu kỳ

Nhóm chỉnh lưu hai pha đối với 2 điot D1 và D2 có điện áp đồng pha với giá trị số hiệu dụng là 10V nên Ungmax=2√2Udp=28,3V chọn D1 và D2 là loại 1N4002 với tham số Itb=1A;Ungmax=100V.Điện trở cho tải chỉnh lưu R1=1kΩ

Mạch so sánh tạo xung đồng bộ Chọn OA loại TL081 chọn điện trở R2=15kΩ

Chọn góc điều khiển 1700,có nghĩa là góc điều chỉnh nhỏ nhất phải là αmin=0,5.(1800

14

1 10   =14kΩ

Từ đây chọn phân áp gồm điện trở R3=12kΩ,và biến trở RV1=2kΩ.(cho phép điểu chỉnh ngưỡng từ 0 dến 2V )

Kết quả mô phỏng

Điện áp đồng bộ

4.4.2.Tạo răng cưa tuyến tính 2 nửa chu kỳ

Chọn OA loại TL082

Thời gian phóng tụ C1 chính là khoảng thời gian điều chỉnh phạm vi điều khiển α nên

1700 quy đổi sang thời gian là

14.9, 44.10 10.0, 22.10

4.4.3.Mạch tạo dao động dùng timer 555

4.4.6.Khâu khuếch đại xung và máy biến áp xung

Chọn biến áp xung có tỉ số bằng K=3, vậy tham số điện áp và dòng điện sơ cấp là:

U1=U.K=6.3=24V(lấy điện áp điều khiển triac là 6V)

I1=Ig/k=25mA/3=8mA(dòng điều khiển triac 25mA)

Nguồn công suất phải có giá tri lớn hơn U1 dể bù sụt áp trên điện trở vì vậy chọn E=30V

Từ 2 giá trị I1 và E chọn bóng Q2 loại BD135 có tham số:

Uce =45V.Icmax =1.5A; tra bảng có:

H2min =40 Ta có R11

E Icp

1,5

 23,3 chọn R11 =1kΩ

Kiểm tra độ sụt áp trên điện trỏ này khi dẫn dòng là:

UR11 =I1.R11=8m.1k=8V suy ra điện áp còn trên máy biến áp là:

U1=E-UR11=35V-8V=27V và lớn hơn 18V Tuy nhiên để tăng mạnh xung kích cho van bán dẫn có thể dùng thêm tụ C3 tăng cường áp được tính như sau:

Tấn số xung chùm 10kHz tương ứng với 1 chu kỳ là 100µs

Cho rằng đối xứng thì khoảng nghỉ bằng nửa T suy ra tn=50µs

Vậy C3

11 3

4.4.7 Khâu tạo điện áp điều khiển

Vì nhiệt độ trong lò đạt tối đa 800 ̊C nên ta chọn cảm biến nhiệt độ là cặp nhiệt ngẫu loại K, có điện áp ra 4,06mV/ 100 ̊C Nhiệt độ cao nhất trong lò là 800 ̊C tra đồ thị ta được điện áp ra lớn nhất từ cặp nhiệt ngẫu là 33,28 mV

Điện áp vào khâu so sánh với điện áp răng cưa tối đa là 10V nên hệ số khuếch đại điện áp phản hồi là 10/0,03328 =300,5 lần

Giá trị Uđặt tối đa là 10 V nên ta chọn biến trở 10k để tinh chỉnh

Ta tính được Udk=Uđặt-300Unhiệt ngẫu.

4.4.8 kết quả mô phỏng

Chương 5: Mô phỏng trong proteus

Dưới đây là các công cụ và các thao tác cơ bản nhất giúp người sử dụng nhanh chóng sử dụng Protues như một công cụ mô phỏng, học tập và nghiên cứu khi điều kiện thực hiện mạch thực tế còn thiếu thốn, hạn chế hoặc kiểm chứng cá c hoạt động của mạch nguyên lý trước khi thực hiện lắp ráp mạch Tuy nhiên , mô phỏng chỉ giúp chú ng ta tiên

đoán, ước lượng các tình huống sẽ xảy ra trong thực tế với các thông số tối thiểu chứ

mô phỏng không phải là thực tế nên đôi khi ta thấy có những tình huống xảy ra

trong thực tế mà mô phỏng không có được Do đó, mô phỏng dùng Protues chỉ có

giá trị tham khảo cho việc thực hiện mạch thực tế

1 Mở chương trình ISIS proteus

Double click vào icon để mở chương trình ISIS Protues hoặc

Menu File Save Design hoặc

Menu File Save Design As… (lưu bản vẽ này với một tên khác) hoặc Click

sổ file, nhấn nút Open để mở bản vẽ đã lưu

5.Đặt kích thước cho trang giấy bản vẽ

Chọn System Set sheet sizes…

Chọn khổ giấy từ A0 A4 trong hộp thoại Sheet Size Configuration hoặc người

sử dụng có thể tự nhập kích cỡ giấy cho riêng mình ở phần lựa chọn User

6.Đặt tên linh kiện bản vẽ

Lấy linh kiện đặt lên bản vẽ

Ø Chọn menu Library > Pick device/symbol… hoặc click vào biểu tượng

hoặc

Ø click vào chữ P trê n

Ø Trong cửa sổ Pick Devices, ta đá nh tê n linh kiện cần tìm vào ô keywords

(không cần đánh chính xác tên, protues sẽ tìm cá c linh kiện có tê n gần giống

với từ khóa) hoặc ta có thể tìm kiếm kết quả trong khung Category và Results

Khung Schematic Preview và PCB Preview cho phép ta xem hình dạng linh

kiện trong bản vẽ nguyên lý và bản vẽ mạch in

Ø Click chọn tên linh kiện trong khung Results rồi chọn nút OK Tên linh kiện

đã chọn sẽ xuất hiện ở khung DEVICES

Ø Click chọn tên linh kiện cần đặt lê n bản vẽ trong khung DEVICES rồi click

lên vùng bản vẽ nơi muốn đặt linh kiện, linh kiện sẽ xuất hiện tại vị trí vừa click

7 Xóa linh kiện đã đặt

Click phải lên linh kiện cần xóa:

Ø click phải lần thứ 2, hoặc

Ø nhấn nú t Delete trê n bàn phím, hoặc

Ø chọn menu Edit Cut to clipboard hoặc

Ø chọn nú t hoặc

Ø chọn nú t

8.Di chuyển linh kiện đã đặt

Ø Click phải lên linh kiện cần di chuyển Nhấn và giữ chuột trái trên linh kiện rê đến nơi cần đặt, thả chuột trái, linh kiện sẽ xuất hiện tại vị trí mới hoặc

Ø chọn , rê chuột đến vị trí mới và click để đặt linh kiện

9.Sao chép 1 linh kiện đã đặt trên bản vẽ

Ø Click phải lên linh kiện cần chép Chọn , rê chuột đến vị trí mới và click để đặt linh kiện hoặc

Ø nhấn nút , rồi nhấn nút , rê chuột đến vị trí mới và click để đặt linh kiện

10.Xoay và vẽ đối xứng linh kiện

Để xoay hoặc vẽ đối xứng linh kiện, ta click phải lên linh kiện cần thực hiện,

và click lựa chọn nút tương ứng trong thanh tác vụ như sau: Các nút từ trái qua phải lần lượt là: xoay phải, xoay trái, xoay với góc cho trước, đối xứng qua trục dọc, đối xứng qua trục ngang

11.Chỉnh sửa thông số linh kiện

Để chỉnh sửa thông số cho linh kiện hoặc đối tượng, ta click chọn nút instant edit mode ( ) rồi click vào linh kiện hoặc đối tượng cần chỉnh sửa Khi người sử dụng muốn thực hiện bất kỳ thao tá c nào trê n linh kiện hay đối tượng trong

Protues đều phải click ph i chọn đối tượng cần thao tác Ta cũng có thể chọn linh kiện bằng chuột phải rồi click trái để chỉnh giá trị của linh kiện

Ta cũng có thể dùng công cụ này để nạp chương trình cho vi điều khiển

12.Đặt nguồn và mass cho mạch

Click chọn nú t Inter-sheet terminals ( ) trên thanh công cụ, cửa sổ

sẽ mở ra cho phép người dung lựa chọn loại terminal cần dùng Có hai loại terminal chúng ta có thể sử dụng ở đâ y là:

Ø GROUND: vẽ ký hiệu mass (ground), cung cấp điện áp 0 V cho mô phỏng mạch

Ø POWER: vẽ ký hiệu nguồn, ta chọn nú t instant edit mode ( ) , click lên

ký hiệu vừa đặt trên bản vẽ, nhập giá trị nguồn điện vào ô string Ví dụ: +5V

5V