Lò điện trở
Khái niệm chung và phân loại Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu… Phân loại lò điện trở có nhiều cách: 1. Phân loại theo phương pháp toả nhiệt - Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện...
6
Chương 2
LÒ ĐIỆN TRỞ
2.1. Khái niệm chung và phân loại
Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây
đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt
năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để
nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu…
Phân loại lò điện trở có nhiều cách:
1. Phân loại theo phương pháp toả nhiệt
- Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở
mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc
điểm của lò này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc lò đơn giản. Để đảm bảo
nung đều thì vật nung có tiết diện như nhau theo suốt chiều dài của vật.
- Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt năng toả ra ở dây
điện trở (dây đốt), rồi dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối
lưu hoặc dẫn nhiệt.
2. Phân loại theo nhiệt độ làm việc
- Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 6500C.
- Lò nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc của lò từ 6500C đến 12000C.
- Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 12000C.
3. Phân loại theo nơi dùng
- Lò dùng trong công nghiệp
- Lò dùng trong phòng thí nghiệm
- Lò dùng trong gia đình
4.Phân loại theo đặc tính làm việc
- Lò làm việc liên tục
- Lò làm việc gián đoạn
Lò làm việc liên tục được cấp điện liên tục và nhiệt độ giữ ổn định ở một
giá trị nào sau quá trình khởi động (hình 2.1a). Khi khống chế nhiệt độ bằng
cách đóng cắt nguồn thì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị nhiệt độ ổn định
(hình 2.1b)
Lò làm việc gián đoạn thì đồ thị nhiệt độ và công suất như hình 2.2
τ P τ P τ P
P P P
τô τ τô τ
τ
τmt a) t τmt b) t τmt t
Hình 2.2 đồ thị nhiệt độ và công
Hình 2.1 Đồ thị nhiệt độ và công suất lò làm việc liên tục suất lò làm việc gián đoạn
7
5. Phân loại theo kết cấu lò, có lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể…
6. Phân loại theo mục đích sử dụng: có lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung …
Ở Việt Nam thường dùng lò kiểu buồng để nhiệt luyện (tôi, ủ , nung, thấm
than); lò kiểu giếng để nung, nhiệt luyện; lò muối để nhiệt luyện dao cắt qua
muối nung…
2.2 Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt
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 các vật liệu thoả
mãn các yêu cầu sau:
- chụi được nhiệt độ cao;
- độ bền cơ khí cao;
- có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài, khó bố trí
trong lò hoặc tiết diện dây phải 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 hoá già (tức dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo
tuổi thọ của lò)
2.3 Vật liệu làm dây điện trở
1) Dây điện trở bằng hợp kim
+ Hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm). Hợp kim này có độ bền cơ học cao vì
có lớp màng Oxit Crôm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn,
hệ số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lò có nhiệt độ làm việc dưới 12000C.
+ Hợp kim Crôm - Nhôm (Fexran), có các đặc điểm như hợp kim Nicrôm
nhưng có nhược điểm là giòn, khó gia công, độ bền cơ học kém trong môi
trường nhiệt độ caơ.
2) Dây điện trở bằng kim loại
Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo),
Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò
điện trở có khí bảo vệ.
3) Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại
+ Vật liệu Cacbuarun (SiC) chụi được nhiệt độ cao tới 14500C, thường
dùng cho lò điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt.
+ Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo
dưới dạng hạt có đường kính 2-3mm, thường dùng cho lò điện trở trong
phòng thí nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 18000C.
Bảng 2.1. Đặc tính kỹ thuật vật liệu chế tạo dây điện trở là kim loại và hợp
kim
Bảng 2.2. Đặc tính kỹ thuật của thanh nung cacbuarun (Nga chế tạo).
8
Bảng 2.1. Đặc tính kỹ thuật vật liệu chế tạo dây điện trở kim loại và hợp kim
Điện Nhiệt độ làm
Khối Hệ số Nhiệt
trở Nhiệt độ việc t, 0C
lượng nhiệt độ
suất ở làm việc Làm Làm
Vật liệu làm dây điện trở riêng ở 0 điện chảy
0 C, ρ, cực đai, việc việc
200C, trở lỏng,
Ωmm2 0
C liên gián
g/cm3 α.103 0
C
/m tục đoạn
-X20H80 8,40 1,100 0,035 1400 1150 1050 1000
Nicrôm -X20H80T 8,20 1,270 0,022 1400 1200 1050 1000
-X15H60 8,30 1,100 0,100 1400 1050 950 900
Thép - X2 7,85 0,900 0,350 1400 1100 850 800
Hợp kim - X13 4 7,20 1,260 0,150 1450 900 750 650
Hợp kim - OX17 5 7,10 1,300 0,060 1450 1050
Hợp kim - OX25 5 7,00 1,400 0,050 1450 1200
- 595(OX23 5A) 7,30 1,350 0,050 1525 1250 1050 1000
- 626(OX27 5A) 7,20 1,420 0,022 1525 1300 1150 1100
Vonfram, W 19,34 0,050 4,300 3410 3000*
Milipden, Mo 10,20 0,052 5,100 2625 2200*
Platin, Pt 21,46 0,098 8,950 1755 1400
Sắt, Fe 7,88 0,090 11,30 1535 400
Niken, Ni 8,90 0,065 13,40 1452 1000
Những vật liệu phi kim loại (**)
800 ÷ Thay - 1500 1250 1200
SiC (cacbuarun) 2,30 đổi
900
theo - 2000
Grafit 1,60 8 ÷ 3 nhiệt
(2800)*
độ (hệ
10 ÷ - 2000
Cacbon (than) 1,60 số
60 (2500)*
nhiệt
1,00
Cripton (hỗn hợp của 600 ÷ điện
÷ trở
graphit, cacbon và đất sét 2000
1,25 âm)
Ghi chú: * Trong chân không hoặc trong môi trường khí bảo vệ
** Khối lượng riêng thay bằng khối lượng đống ρ1= ρ0(1 + αt)
9
Bảng 2.2. Đặc tính kỹ thuật của thanh nung cacbuarun (Nga chế tạo)
Kích thước, mm Diện tích Điện trở của toàn
Kiểu thanh Chiều dài Đường kính bề mặt làm thanh ở trạng thái
toàn thanh hai đầu việc, cm2 nóng, Ω
Thanh nung công nghiệp
KHC – 25x300 406 - 236 0,77 ÷ 1,75
KHC – 25x300 1120 25 236 1,1 ÷ 1,55
KHC – 25x400 1220 25 314 1,2 ÷ 1,80
KHC – 25x560 711 - 564 1,2 ÷ 2,8
KHMB – 25x400 640 - 314 1,1 ÷ 2,0
Dùng ở phòng thí nghiệm
KHM – 8x100 270 14 25,1 1,0 ÷ 2,0
KHM – 8x150 270 14 37,8 1,5 ÷ 3,0
KHM – 8x150 320 14 37,8 1,5 ÷ 3,0
KHM – 8x150 420 14 37,8 1,5 ÷ 3,0
KHM – 8x180 300 14 45,2 1,8 ÷ 3,6
KHM – 8x180 350 14 45,2 1,8 ÷ 3,6
KHM – 8x180 400 14 45,2 1,8 ÷ 3,6
KHM – 8x180 480 14 45,2 1,8 ÷ 3,6
KHM – 8x200 500 14 50,2 2,0 ÷ 4,0
KHM – 8x250 450 14 62,5 2,5 ÷ 5,0
KHM – 12x250 750 18 94,2 1,5 ÷ 3,0
KHM – 14x300 800 23 132,0 1,75 ÷ 3,5
Công nghiệp và phòng thí
nghiệm
KHΛ – 12x200 280 - 75,4 4,4 ÷ 9,0
KHΛ – 12x230 320 - 86,5 4,5 ÷ 9,0
KHΛ – 16x320 280 - 115 4,5 ÷ 9,0
Ghi ch ú:
1. Sai số điện trở không lớn hơn 4%.
2. Hai chữ số viết ở mác thanh nung: chữ số thứ nhất là đường kính phần
làm việc, chữ số thứ hai là chiều dài phần làm việc.
2.4.Tính toán kích thước dây điện trở
Trong mục này chỉ trình bày việc tính chọn dây điện trở là kim loại và hợp
kim. Dây điện trở làm từ kim loại và hợp kim được chế tạo với hai tiết diện:
tiết diện tròn và tiết diện chữ nhật.
- Đối với tiết diện tròn cần tính hai thông số: đường kính dây d và chiều
dài dây điện trở L.
10
- Đối với dây điện trở tiết diện chữ nhật cần xác định các cạnh a, b (b/a =
m = 5:10) và chiều dài dây đốt L.
Trong thực tế có hai loại lò: một pha và ba pha. Nếu công suất của lò lớn
hơn 5kW phải làm lò ba pha, tránh hiện tượng lệch phụ tải cho lưới điện.
Nhưng khi tính toán chỉ cấn tính cho một pha, vị trí số điện trở của dây dẫn
của ba pha phải như nhau.
Việc tính toán kích thước dây điện trở được dựa trên hai biểu thức sau:
+ Biểu thức phản ánh quá trình biến đổi điện năng thành nhiệt năng
P = W.F.10-3 [kW] (2.1)
+ Biểu thức phản ánh các thông số điện
U2 U2
P= .10 3 = .10 3 [kW] (2.2)
R ρ
Trong đó: P - công suất của dây điện trở, kW
W - công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực, W/cm2;
F - diện tích xung quanh của dây điện trở, cm2;
U - điện áp giữa hai đầu dây điện trở, V;
R - điện trở của dây đốt, Ω;
ρ - điện trở suất của vật liệu chế tạo dây điện trở, Ωmm2/m;
L - chiều dài của dây điện trở, m;
S - diện tích của tiết diện cắt ngang của dây điện trở, mm2.
Biểu thức (2.1) có thể viết dưới dạng sau:
P = W.C.L.10-2 [kW] (2.3)
Trong đó: C - chu vi của dây điện trở, mm.
Từ (2-3) rút ra được:
P.10 −2
L= [m] (2.4)
Wd .C
Từ biểu thức (2.2) rút ra:
U 2 .S
L= .10 −3 [m] (2.5)
P.ρ
Cân bằng hai biểu thức (2.4) và (2.5) ta có:
P 2 .ρ .10 5
C.S = [mm3] (2.6)
U 2 .W
a) Đối với dây điện trở có tiết diện tròn
πd 2
C = лd, S=
4
Thay vào (2.6) và tìm d, ta có:
4.10 5.ρ .P 2
d =3 [mm] (2.7)
π 2 .U 2 .W
11
RS 10.ρ .P 2
L= =3 [m] (2.8)
ρ 4πρW 2
b) Đối với dây đốt có tiết diện hình chữ nhật (m = b/a)
C = (a + b).2 = 2a(m +1)
S = a.b = ma2
Thay vào biểu thức (2.6) và tìm a, ta có:
5.10 4 ρ .P 2
a=3 [mm] (2.9)
m(m + 1)U 2W
RS 2,5.P.U 2 .m
L= = [m] (2.10)
ρ (m + 1) 2 ρW 2
2.5 Các loại lò điện trở thông dụng
Theo chế độ nung, lò điện trở phân thành hai nhóm chính:
1. Lò nung nóng theo chu kỳ
Hình 2.3 Các loại lò điện trở; a) buồng lò; b) lò giếng; c) lò đẩy
12
Bao gồm:
+ Lò buồng (hình 2.3a) thường dùng để nhiệt luyện kim loại (thường hoá,
ủ, thấm than v.v…). Lò buồng được chế tạo với cấp công suất từ 25kW đến
75kW. Lò buồng dùng để tôi dụng cụ có nhiệt độ làm việc tới 13500C, dùng
dây điện trở bằng các thanh nung cacbuarun.
+ Lò giếng (hình 2.3b) thường dùng để tôi kim loại và nhiệt luyện kim loại.
Buồng lò có dạng hình trụ tròn được chôn sâu trong lòng đất có nắp đậy. Lò
giếng được chế tạo với cấp công suất từ 30 ÷ 75kW.
+ Lò đẩy (hình 2.3c) có buồng kích thước chữ nhật dài. Các chi tiết cần
nung được đặt lên giá và tôi theo từng mẻ. Giá đỡ chi tiết được đưa vào
buồng lò theo đường ray bằng một bộ đẩy dùng kích thuỷ lực hoặc kích khí
nén.
2) Lò nung nóng liên tục bao gồm:
+ Lò băng: buồng lò có tiết diện chữ nhật dài, có băng tải chuyển động liên
tục trong buồng lò. Chi tiết cần gia nhiệt được sắp xếp trên băng tải. Lò
buồng thường dùng để sấy chai, lọ trong công nghiệp chế biến thực phẩm.
+ Lò quay thường dùng để nhiệt luyện các chi tiết có kích thước nhỏ (bi,
con lăn, vòng bi), các chi tiết cần gia nhiệt được bỏ trong thùng, trong quá
trình nung nóng, thùng quay liên tục nhờ một hệ thống truyền động điện.
2.6. Khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở
1. Đặt vấn đề
+ Theo đinhl luật Joule - Lence
Q = 0,238.I2.R.t [cal] (2.11)
Trong đó: Q- nhiệt lượng toả ra của dây điện trở, cal;
I- dòng điện đi qua dây điện trở, A;
R- điện trở của dây điện trở, Ω;
t- thời gian dòng điện chạy qua dây điện trở, s;
+ Thời gian nung chi tiết đến nhiệt độ yêu cầu:
G.C (t1 − t 2 )
t= [s] (2.12)
a
Trong đó: G- khối lượng của chi tiết có độ dài 100mm, kg;
t1- nhiệt độ yêu cầu, 0C;
t2- nhiệt độ môi trường, 0C;
C- nhiệt dung trung bình của chi tiết cần nung;
a- tốc độ toả nhiệt của chi tiết có độ dài 100mm, kcal/s.
+ Công suất điện cần cung cấp cho chi tiết có độ dài là 1mm:
4,18.l.a
P2 = [kW] (2.13)
100
+ Công suất tiêu thụ của lò điện trở:
13
P2
P1 = [kW] (2.14)
η. cos ϕ
Trong đó: η - hiệu suất của lò (η = 0,7 ÷ 0,75);
φ - hệ số công suất của lò (cosφ = 0,8 ÷ 0,85).
Từ biểu thức trên ta rút ra rằng: để điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở có thể
thực hiện bằng cách điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở.
Điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở có thể thực hiện bằng các phương
pháp sau:
- Hạn chế công suất cấp cho dây điện trở bằng cách đấu thêm điện trở phụ
(cuộn kháng bão hoà, điện trở)
- Dùng biến áp tự ngẫu, hoặc biến áp có nhiều đầu dây sơ cấp để cấp cho lò
điện trở.
- Thay đổi sơ đồ đấu dây của dây điện trở (từ tam giác sang sao, hoặc từ
nối tiếp sang song song).
- Đóng cắt nguồn cấp cho dây điện trở theo chu kỳ.
- Dùng bộ điều áp xoay chiều để thay đổi trị số điện áp cấp cho dây điện
trở.
2) Các loại cảm biến nhiệt độ
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ được
trình bày trên hình 2.4
Trong sơ đồ khối chức t0đặt 1 ε
2 3
năng gồm có các khâu chính
- t0
sau: 0
t ph
- Lò điện trở 3 là đối tượng
điều chỉnh với tham số điều 4
0
khiển là nhiệt độ của lò (t ).
- Bộ điều chỉnh và ổn định Hình 2.4 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều
nhiệt độ 2 (thay đổi các chỉnh và ổn định nhiệt độ lò điện trở
thông số nguồn cấp cấp
cholò điện trở)
- Bộ tổng hợp tín hiệu điều khiển 1 (ε = t0đặt – t0ph).
- Cảm biến nhiệt độ 4, có chức năng gia công ra một tín hiệu điện tỷ lệ với
nhiệt độ của lò.
Để nâng cao độ chính xác khi khống chế và ổn đinh nhiệt độ của lò điện
trở, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở là hệ thống kín (có mạch vòng
phản hồi).
Việc điều chỉnh và ổn đinh nhiệt độ của lò được thực hiện thông qua việc
thay đổi các thông số nguồn cấp cho lò. Như vậy tín hiệu phản hồi tỷ lệ với
nhiệt độ của lò trong hệ thống khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở.
Hiện nay thường dùng các loại cảm biến nhiệt độ sau:
14
+ Nhiệt kế thuỷ ngân: chiều cao của cột nước
thuỷ ngân tỷ lệ thuận với nhiệt độ của lò. Cấu
tạo của nó gồm có: 1- điện cực tĩnh (có thể dịch
chuyển được nhờ nam châm vĩnh cửu); 2- Nước
thuỷ ngân đóng vai trò như một cực động; 3- vỏ
thuỷ tinh (hình 2-5)
Như vậy, điện cực 1 và 2 tạo thành một cặp
tiếp điểm. Khi nhiệt độ trong lò nhỏ hơn trị số
nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1-2 còn hở, còn khi nhiệt
độ của lò bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ đặt, tiếp
điểm 1-2 kín. Việc thay đổi trị số nhiệt độ đặt
thực hiện bằng cách dịch chuyển điện cực tĩnh 1
bằng nam châm vĩnh cữu.
- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, cùng một lúc
thực hiện ba chức năng: cảm biến, khâu chấp Hình 2.5 Cấu tạo của cảm biến
hành và chỉ thị nhiệt độ. nhiệt độ loại nhiệt kế thuỷ ngân
-Nhược điểm: Chỉ dùng được đối với lò điện nhiệt độ thấp (t0 ≤ 6500C), độ
nhạy không cao do quán tính nhiệt của nước thuỷ ngân lớn.
+ Nhiệt điện trở (RN). Trị số điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt
độ theo biểu thức sau:
RRN = RRNO(1 +αt0) [Ω] (2.15)
Trong đó: RRN - trị số điện trở của nhiệt điện trở, Ω;
RRNO- trị số điện trở của nhiệt điện trở trong điều kiện
tiêu chuẩn (nhiệt độ môi trường), Ω;
α - hệ số nhiệt điện trở, Ω/0C.
Với công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn, người ta có thể chế tạo được nhiệt
điện trở với α >0 và α < 0.
- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, dễ gá lắp trong lò.
- Nhược điểm: chỉ dùng được đối với lò nhiệt độ thấp (t0 làm việc dưới
6500C), trị số điện trở của nó chỉ tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong một dãi
nhất định.
+ Cặp nhiệt ngẫu (CNN) có tên gọi thường dùng là can nhiệt
Khi đưa can nhiệt vào lò, nó sẽ xuất hiện một sức nhiệt điện e, trị số của e
tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ của lò.
-Ưu điểm: trị số sức nhiệt điện e tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong một dải
rộng, được dùng trong tất cả các loại lò nhiệt độ làm việc tới 13500C.
- Nhược điểm: trị số sức nhiệt điện rất bé nên cần phải có một khâu khuếch
đại chất lượng cao.
15
2.7. Một số sơ đồ khống chế nhiệt độ lò điện trở điển hình
1) Sơ đồ khống chế nhiệt độ lò điện trở bằng bộ điều áp xoay chiều dùng
triac (hình 2.6)
RN
VR2
VR3
Hình 2.6. Sơ đồ mạch điện nguyên lý
+ Thông số kỹ thuật của lò:
Đây là lò công suất nhỏ, nhiệt độ làm việc thấp dùng để nuôi, cấy vi trùng
trong các viện nghiên cứu
- Công suất định mức: P = 500W.
- Nhiệt độ làm việc: t0 = 370 ± 10.
+ Nguyên lý điều chỉnh và ổn định nhiệt độ:
Nguyên lý điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở thực hiện bằng cách: điều chỉnh
trị số điện áp nguồn cấp cho dây điện trở bằng cách thay đổi góc mở α của
triac TC. Trị số góc mở α của triac được xác đinh bằng tốc độ nạp của tụ C2.
Tốc độ nạp của tụ C2 phụ thuộc vào dòng colectơ của transito TR3 (Ic).
- Dòng Ic của transito TR3 xác định theo biểu thức:
U BE
Ic = [A] (2.16)
R8
Trong đó: UBE - điện áp đặt lên cực B và E của TR3.
U cc .R7 −8
U BE = [V] (2.17)
R7 −8 + RVR 2 + RVR 3 + R10 + R7
16
( R9 + R RV 1 ) R RN
Trong đó: R 7 −8 = [Ω] (2.18)
R9 + RVR1 + R RN
UCC - điện áp nguồn cấp bằng điện áp ổn áp của điôt zener Đ2;
RRN - trị số của nhiệt điện trở RN (có α < 0).
- Điện áp trên tụ C2 bằng:
1 U BE
UC2 =
C2 ∫I C dt =
R8 .C 2
.t [V] (2.19)
Tụ C2 được nạp cho đến khi trị số điện áp trên tụ UC2 ≥ Ung. (Ung - là điện
áp ngưỡng của transito TR2). Transito TR2 là transito một tiếp giáp (UJT)
có điện áp ngưỡng.
Ung = UEB1 = 0,68Ucc
Khi điện áp trên tụ C2: UC2 ≥
Ung - transito TR2 thông, tụ C2
được phóng qua cuộn dây sơ cấp
của biến áp xung W1, cuộn thứ
cấp của biến áp W2 sẽ xuất hiện
xung điều khiển đặt lên cực điều
khiển của triac TC.
Như vậy, góc mở α của triác
TC phụ thuộc vào điện áp UBE và
được xác đinh theo biều thức sau:
2πf .R3 .U ng
α = ωt = [rad] (2.20)
U BE
UBE phụ thuộc vào: RRN, RVR1,
RVR2 và RVR3.
Trong đó chiết áp : VR1, VR2
là chiết áp chỉnh định để chọn
điểm làm việc hợp lý.
Chiết áp VR3 để đặt nhiệt độ.
Đồ thị điện áp tại các điểm đo
của sơ đồ được biểu diễn trên Hình 2.7 Đồ thị điện áp
hình 2.7
+ Nguyên lý ổn định nhiệt độ: Giả sử nhiệt độ trong lò vì một lý do gì đó
giảm xuống nhỏ hơn nhiệt độ đặt (t0 < t0 đặt), trị số điện trở của nhiệt điện
trở tăng (RRN tăng) làm cho UBE của transito TR3 tăng lên (thế B âm hơn)
làm cho IC tăng, tốc độ nạp của tụ C2 nhanh hơn cuối cùng góc mở α của TC
giảm, điện áp cấp cho dây điện trở tăng và nhiệt độ của lò sẽ tăng đến giá trị
nhiệt độ đặt.
17
2) Sơ đồ khống chế ổn định nhiệt độ lò điện trở bằng bộ điều áp xoay chiều
ba pha dùng Thyristor.
Đối với lò điện trở có công suất trên 5kW, để tránh hiện tượng lệch phụ tải
cho lưới điện nên phải dùng lò 3 pha. Để khống chế và ổn định nhiệt độ của
lò người ta dùng bộ điều áp xoay chiều ba pha cấp điện cho dây điện trở của
lò.
+ Sơ đồ mạch lực của lò biểu diễn trên hình 2.8
Hình 2.8 Sơ đồ mạch lực lò 3 pha
Sơ đồ được dùng cho lò điện trở có dải công suất tiêu thụ từ 5 đến 90 kW
(tuỳ thuộc vào trị số dòng điện trung bình đi qua các Thyristor 1T ÷ 6T).
Mạch lực gồm có các phần tử chính sau:
- Cuộn kháng xoay chiều CK1 ÷ CK3 dùng để hạn chế dòng ngắn mạch và
hạn chế tốc độ tăng dòng anot (di/dt) của Thyristor.
- Bộ điều áp xoay chiều ba pha điều khiển hoàn toàn dùng Thyristor 1T ÷
6T hoặc bộ điều áp xoay chiều ba pha bán điều khiển bằng cách thay các
Thyristor 4T, 6T, 2T bằng 3 điôt).
18
- RdđA, RdđB và RdđC là dây điện trở của lò đấu theo hình sao (Y) hoặc
đấu theo hình tam giác (∆) tuỳ thuộc vào kích thước dây điện trở khi tính
chọn.
- Mạch (R - C) đấu song song với các Thyristor dùng để hạn chế tốc độ
tăng điện áp (du/dt) bảo vệ các Thyristor tránh hiện tượng tự mở.
1VS 2VS
1R 5D
+a 7V 5C
2C + 2
7R
A 4D 5R DD21 8R
2D DD31 DD32 DD33 DD34 6V
4C +
1
DD1 & & & &
3R 1BAX
1CL 1
R CT2 2T
2R
3C 6R
1T 1 4
C 32 5 1FX-A
4R R.dđA
DD22 -
1BA + 3D
3 +
1C
KĐK-A 2FX-A
B
1FX-B
KĐK-B 2FX-B
C
1FX-C
N
KĐK-B 2FX-C
19R 20R +b
11C 27R 2CL
M 6C 8V 1RS 2RS
25R 11D
7C 10C 21R 22R
+a RLD DD23 17R
DD41 DD42 DD43 DD44 DA11 DA12 15C
1
10R
& & & & - - 2BA
9R 12R 13R 14R
+ + 16C
15R
1 Uph 18R
9V FET 12C 13C 12D
3T 24R 29R
DD24 11R 23R
XCT 16R 8C 9C
KĐ
Tới chỉ thị số
Hình 2.9.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
+ Mạch điều khiển.
Mạch điều khiển bộ điều áp xoay chiều có chức năng thay đổi góc mở α
của các Thyristor 1T ÷ 6T để thay đổi điện áp cấp cho dây điện trở của lò,
chính là thực hiện chức năng điều chỉnh và ổn định nhiệt độ của lò.
Mạch điều khiển gồm có các khối chính sau:
* Khối điều khiển xung pha gồm 3 khối tương tự nhau gồm có các khâu
sau:
19
- Khâu đồng pha và xác định thời điểm qua gốc “0” của điện áp lưới gồm
biến áp 1BA, bộ chỉnh lưu 1CL, các điện trở 1R ÷ 5R và transito 1T.
- Khâu so sánh và tạo thời điểm phát xung dùng bộ đếm DD1.
- Mạch lật nhớ trạng thái (dùng trigơ R-S: DD2.1 và DD2.2).
- Khâu băm xung (DD3.1 ÷ DD3.4).
- Khâu khuếch đại xung dùng biến áp xung BAX1, BAX2, R6÷ R9, điôt Đ1 ÷
Đ6 và transito TR2 ÷ TR5).
- Mạch cấm R12, R13, Đ7 và Đ8.
* Khối tổng hợp tín hiệu điều khiển gồm các khâu sau:
- Khâu phát xung cao tần gồm DD4.1 ÷ DD4.4, chiết áp 12R và tụ điện 7C.
Tần sô phát xung của khâu này có thể thay đổi từ 5kHz đến 1MHz bằng
cách thay đổi trị số điện trở 12R.
- Khâu gia công tín hiệu phản hồi âm nhiệt độ gồm: cảm biến nhiệt độ 1RS
hoặc 2RS được lựa chọn nhờ khoá chuyển đổi S. Cảm biến nhiệt là một
nhánh của cầu đo một chiều, các nhánh còn lại là 17R, 18R và 14R-15R-
16R. Cung cấp dòng cho cầu đo là bộ ổn định dòng điện cấu tạo trên khuếch
đại thuật toán DA1-2. Điện trở tinh chỉnh 21R dùng để thay đổi dòng ra giới
hạn nhỏ và đảm bảo thết lập giới hạn trên của nhiệt độ cần đo. Giới hạn dưới
của nhiệt độ cần đo thiết lập qua điện trở tinh chỉnh 14R.
Điện áp ra từ đường chéo của cầu đo tỉ lệ với điện trở được khuếch đại bởi
bộ khuếch đại vi phân thực hiện trên DA1.1, đưa đến bộ biến đổi AD chỉ thị
số và tới khuếch đại phản hồi KĐ. Tín hiệu này đưa vào transito trường FET
3T đóng vai trò như một điện trở động đấu song song với chiết áp 12R và
13R. Trị số điện trở của nó (RS-D) thay đổi phụ thuộc vào Uph chính là phụ
thuộc vào nhiệt đô. Các tụ 8C, 9C và 10C để lọc nhiễu.
* Khâu bảo vệ quá dòng gồm:
- Khâu gia công tín hiệu tỉ lê với dòng tiêu thụ của lò là ba biến dòng TI1 ÷
TI3, transito TR1 ÷ TR2, khuếch đại thuật toán IC, cầu chỉnh lưu CL, chiết áp
VR1 ÷ VR2, điốt Đ, các điện trở R1 ÷ R7 và rơle liên động RLĐ (hình 2.8)
- Khâu nhớ trạng thái và phục hồi gồm trigơ R-S (DD2.3 ÷ DD2.4), nút
bấm phục hồi M, tụ C4, 9R ÷ 11R và đèn báo LED (hình 2.9)
* Nguồn cấp: Nguồn +a lấy từ biến áp 1BA,1CL.Nguồn +b lấy từ biến áp
2BA, 2CL. Để ổn áp sơ đồ dùng bộ ổn áp thông số 11D -27R và 12D-28R.
Sau bộ chia áp 25R-16R có tụ lọc phụ thêm 14C.
Nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau:
Tại thời điểm đi qua điểm “0” của điện áp lưới, trên cực colectơ của
transito TR1 xuất hiện xung chữ nhật. Xung này đưa đến cổng R của bộ đếm
DD.1 ra lệnh bắt đầu đếm xung và đưa vào một đầu vào R của trigơ R-S
(DD2.1 ÷ DD2.2). Khi chân thứ hai C của bộ đếm DD1(lấy từ đầu ra của bộ
phát xung cao tần DD.4.1 ÷ DD.4.4) đạt được 28 = 64 xung, đầu ra 32 của bộ
20
đếm DD.1 có mức logic “1”.
Thời điểm xuất hiện mức “1”
của DD.1 phụ thuộc vào tần
số phát ra của bộ phát cao tần
DD.4.1 ÷ DD.4.4. Tần số đó
quyết định trị số góc mở α của
các tiristo, chính là trị số điện
áp đặt lên dây đốt của lò điện
trở. Thay đổi tần số phát xung
từ 5kHz đến 1MHz sẽ thay
đổi được góc mở α = 1800 ÷
00 tương ứng với trị số điện áp
đặt lên dây đốt của lò từ Umax
đến Umin.
Nguyên lý ổn định nhiệt độ
của lò thực hiện như sau:
Nếu vì một lý do nào đó,
nhiệt độ trong lò thấp hơn
nhiệt độ đặt, sức nhiệt điện Hình 2.10 Đồ thị điện áp tại các điểm đo
phát ra từ cặp nhiệt ngẫu
giảm, điện áp phản hồi Uph của bộ khuếch đại KĐ giảm, làm cho điện trở
RS-D của FET 3T giảm, tần số phát ra của DD.4.1 ÷ DD.4.4 tăng lên, góc mở
α giảm xuống, điện áp đặt lên dây đốt của lò tăng lên, kết quả nhiệt độ của lò
tăng lên bằng nhiệt độ đặt và ngược lại.
Nguyên lý làm việc của khâu bảo vệ quá dòng như sau: khi dòng tiêu thụ
của lò nhỏ hơn dòng chỉnh định (Iđm < Icđ ), điện áp lấy trên chiết áp VR1
(điện áp trên chiết áp VR1 tỷ lệ với dòng điện lò tiêu thụ) nhỏ hơn điện áp
lấy trên chiết áp VR2 (điện áp ngưỡng so sánh), điện áp ra của IC bằng –Ucc
dẫn đến transito TR1, TR2 khoá, rơle liên động RLĐ không tác động. Khi
đó tiếp điểm RLĐ hở, dẫn đến đầu ra Q của trigơ R-S (DD2.3 ÷ DD2.4) có
mức logic “1” dẫn đến đầu ra của bộ phát xung DD.4.1 ÷ DD.4.4 có xung,
hệ thống làm việc bình thường.
Khi dòng tiêu thụ của lò lớn hơn dòng chỉnh định, trị số điện trở trên chiết
áp VR1 lớn hơn điện áp trên chiết áp VR2, điện áp ra của IC bằng +Ucc, TR1,
TR2 thông, rơle RLĐ tác động dẫn đến đầu ra Q của trigơ R-S (DD2.3 ÷
DD2.4) có mức logic “0” và đầu ra của bộ phát xung cao tần (DD4.1 ÷
DD4.4) không có xung.
Sau khi xử lý xong sự cố, ấn nút “M” qua khâu vi phân 6C-10R và điôt
8Đ, đưa mức logic “1” vào DD4.4, phục hồi trạng thái làm việc cho khâu
phát xung cao tần.
