Đồ án Điều khiển nhiệt độ thiết bị sấy nông sản

ại vật liệu sấy dạng hạt, cục, hoặc là bột nhão và khó tự dịch chuyển nếu như dùng thiết bị sấy tháp. Phần chính của thiết bị sấy thùng quay là một trụ tròn đặt nằm nghiêng một góc nào đó cố định hoặc là biến đổi góc đó vào khoảng 1-50o. Trong thùng quay tùy theo tính chất vật liệu sấy người ta có thể đặt vách ngăn để tăng cường quá trình sấy. Tác nhân sấy trong thiết bị sấy thùng quay là không khí nóng. Nó có thể chuyển động cùng chiều hoặc là ngược chiều chuyển động vật liệu. Tốc độ tác nhân sấy phụ thuộc vào dạng vật liệu sấy và khối lượng riêng của nó. Để tránh tác nhân sấy cuốn vật liệu ra ngoài thì tốc độ của tác nhân ở đầu ra của thùng quay là 2-3m/s. Đường kính của thùng quay vào khoảng 1200,1400, 1600, 2000, 2200, 2400, 2800 mm. Tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính thùng quay L/D tối đa nên lấy là 7 và tối thiểu là 3,5. Số vòng quay của thùng sấy có thể từ 1,5-8 vòng /phút. 5-Thiết bị sấy khí động Thiết bị sấy khí động thường dùng sấy các loại vật liệu dạng hạt bé, nhẹ xốp như than cám, có hoặc rau băm nhỏ, các tinh thể. - Phần chính của thiết bị sấy khí động là một ống thẳng đứng , trong đó vật liệu sấy được không khí nóng hoặc khói lò cuốn đi từ dưới lên trên và dọc theo ống. - Tốc độ tác nhân sấy đủ lớn để thấy được sự rơi tự do của vật liệu sấy và đồng thời cuốn vật liệu đi lên theo. - Thiết bị sấy khí động chỉ kinh tế khi mà kích thước hạt bé, chứa ẩm ở bề mặt, và nếu kích thước hạt lớn thì năng lượng dùng cho quạt đẩy và quạt hút quá lớn, hệ số truyền nhiệt giảm. - Nhiệt độ tác nhân không nên bé hơn 550-600oC và nhiệt độ ra của tác nhân khoảng 100-150oC. Mật độ vật liệu từ [0,5-1,5Kg/Kg tác nhân]. - Nhược điểm lớn nhất của thiết bị sấy khí động là tiêu tốn năng lượng lớn nhất là tiêu tốn năng lượng cho quạt, điều kiện thực hiện vệ sinh công nghiệp khó có thể thực hiện tốt và nguy hiểm nếu như vật liệu sấy có khả năng cháy nổ. 6- Thiết bị sấy tầng sôi Thiết bị sấy tầng sôi thường được dùng sấy vật liệu dạng cục, hạt. Cũng như thiết bị sấy khí động, thiết bị sấy tầng sôi có ưu điểm là cường độ sấy lớn, có thể đạt hàng trăm Kg/m3. Trong thiết bị sấy tầng sôi có thể dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ sấy và vật liệu sấy khô khá đồng đều. - Nhược điểm của thiết bị sấy tầng sôi là tiêu tốn điện năng rất lớn vì trở lực thủy lực lớn 300-500mmH2O. - Yêu cầu hạt nhỏ và tương đối đồng đều. Qua quá trình phân tích một số ưu điểm và nhược điểm của một số thiết bị sấy ở phần trên và theo yêu cầu của độ ẩm nhiệt độ năng suất của vật liệu sấy. Chúng ta có thể chọn thiết bị sấy dạng tháp là thích hợp và phù hợp hơn cả III-Các thiết bị trong hệ thống sấy 1-Calorife Có nhiệm vụ đốt nóng không khí đến một nhiệt độ theo yêu cầu, để cung cấp nhiệt cho vật liệu, đồng thời giảm độ ẩm tương đối để tăng khả năng nhận ẩm của nó. Tùy nguồn cung cấp mà ta có các loại Calorife sau: - Calorife điện. - Calorife hơi nước. - Calorife khí – khói. 2-Thiết bị sấy Có thể là buồng sấy, hầm sấy, thùng sấy… Là thiết bị trong đó chứa vật liệu sấy để thực hiện quá trình sấy. Ở đây ta chỉ xét đến hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức. 3-Quạt Là thiết bị dùng để vận chuyển (hút hoặc đẩy) đưa không khí qua Calorife vào thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy mang ẩm thải ra môi trường. 4-Xyclon Là thiết bị dùng để thu hồi các sản phẩm sấy bay theo tác nhân. Xyclon thường dùng trong các hệ thống sấy phun, để sấy các dung dịch huyền phù mà sản phẩm sau khi sấy ở dạng bột như: sữa bột, bột đậu nành…đương nhiên là các hệ thống sấy đối lưu bình thường như: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm… không có Xyclon. 5-Buồng đốt Nếu tác nhân sấy là khói lò hoặc dùng khói lò làm nguồn năng lượng để đốt nóng không khí thì trong hệ thống sấy có thêm buồng đốt. Ở đây chúng ta sử dụng hệ thống sấy là sấy tháp đối lưu cưỡng bức. CHƯƠNG V THIẾT KẾ CALORIFE Cấu tạo Calorife gia nhiệt không khí nóng Số thứ tự Tên chi tiết 1 Khung calorife (Chân đế). 2 Lớp đệm. 3 Calorife. 4 Lớp đệm mềm. 5 Quạt gió. 6 Động cơ kéo quạt. I-Số liệu ban đầu Bảng số liệu ban đầu Năng suất sấy 175 kg. Độ ẩm ban đầu w1 = 40%. Độ ẩm cuối w2 = 13%. Nguồn áp ba pha 380/220V. Nhiệt độ môi trường 25OC. II-Tính toán 1-Năng suất sấy G2 Năng suất sấy tính theo vật liệu khô : G2 = 175 Kg/h. 2- Xác định lượng ẩm bốc hơi W Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ là : .(Theo công thức 2.1/trang 43 tài liệu[3]) 3- Khối lượng hạt ướt đưa vào hệ thống sấy G1 G1 = G2 + W = 175 + 78,75 = 253,75(Kg). 4-Chọn chế độ sấy Ta chọn chế độ sấy là đối lưu cưỡng bức tác nhân sấy là không khí nóng. Thông số không khí ngoài trời, ta có nhiệt độ to = 20OC độ ẩm là = 85%. Theo kinh nghiệm với vật liệu sấy dạng hạt thì có thể chịu được nhiệt độ sấy trên dưới 90OC do đó ta chọn nhiệt độ tác nhân vào buồng sấy là t1 = 90OC và nhiệt độ của tác nhân sấy ra khỏi buồng sấy là 40OC. Với độ ẩm tương đối của vật liệu sấy ta chọn là = (90±5)% , đây là lựa chọn sơ bộ. Việc lựa chọn này sẽ được kiểm ra lại. 5-Tính toán quá trình sấy lý thuyết Quá trình sấy không hồi lưu a.Xác định thông số không khí ngoài trời theo trên ta có cặp thông số (to; ) =(20OC;85%) -Áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ 20OC là pb (Theo công thức 2.31/trang 31 tài liệu [4]). -Độ chứa ẩm do (Theo công thức 2.18/trang 28 tài liệu [4]). Trong đó : - to = 20OC nhiệt độ không khí ngoài trời. - = 85% độ ẩm tương đối không khí ngoài trời . - pb áp suất hơi bão hòa nước ở 20OC. - B áp suất khí trời . Entanpy của không khí ẩm Io = 1,004.to + do.(2500 + 1,842.t) (Theo công thức 2.25/trang 29 tài liệu [4]) Io = 1,004.20 + 0,0126.(2500 + 1,842.20) = 52,044(kJ/kg kk). b.Xác định thông số không khí sau Calorife Trạng thái không khí sau Calorife được xác định trên đồ thị I- d không khí ẩm bởi cặp thông số (t1,do) do lúc đi qua Calorife thì d = const nghĩa là d1 = do = 0,0126. Ta chọn nhiệt độ không khí lúc ra Calorife là t1 = 90OC. Ta tìm được điểm 1 trên đồ thị I-d, Entanpy I1, độ ẩm tương đối . -Entanpy I1 I1 = 1,004.t1 + d1.(2500 + 1,842.t1) I1 = 1,004.90 + 0,0126.(2500 + 1,842.90) I1 = 123,949(KJ/kg kk). -Phân áp suất bão hòa của hơi nước ở t1 = 90OC là pb1 . -Độ ẩm tương đối : (Theo công thức 2.19/trang 28 tài liệu [4]). . c.Trạng thái không khí sau buồng sấy Trạng thái không khí sau buồng sấy xác định bởi cặp thông số (I2 = I1;t2) do trong buồng sấy là quá trình đẳng Entanpy(I2 = I1 = 123,949). Ta chọn sơ bộ nhiệt độ không khí lúc ra khỏi buồng sấy sơ bộ là 35OC. Như vậy: -Ta có phân áp suất bão hòa của hơi nước ở 35OC là - Lượng chứa ẩm d2 Ta có : I2 = 1,004.t2 + d2.(2500 + 1,842.t2) -Độ ẩm tương đối của không khí Với độ ẩm = 94% thỏa mãn được điều kiện vừa tiết kiệm được năng lượng nhiệt do tác nhân sấy mang đi vừa đảm bảo không xảy ra hiện tượng đọng sương mà chúng ta đã đặt ra trên với điều kiện là =(90±5)%. Trên dải trên thì sẽ xảy ra hiện tượng đọng sương. e.Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm Lo = W.lo = 78,75.45,454 = 3579,5 (Kg kk/h). f.Tiêu hao nhiệt Qo = Lo.(I1 – Io) = 3579,5.(123,949-52,044) = 257384,12(KJ/h) = 71,49KW. Qo = 71,49KW. g.Thể tích quạt Tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy có nhiệt độ t1 = 90OC, độ ẩm tương đối = 2,4% Chúng ta xác định thể tích tác nhân sấy trong 1h *Trong đó Vkhí vào xác định (1 Kg không khí khô với t1 = 90OC; = 2,4%) Ta sử dụng phương pháp nội suy Theo phụ lục 5/trang 349 tài liệu [4]: v10(t1 = 90OC; = 0%) = 1,05[m3/kg kk]. v11(t1 = 90OC; = 10%) = 1,13[m3/kg kk]. => v1(t1 = 90OC; = 2,4%) = v1(t1 = 90OC; = 2,4%) = . Suy ra thể tích khí vào buồng sấy trong 1 h Vkhí vào = LO.v1 = 3579,5.1,07 = 3830,1; *Thể tích không khí sau sấy Vkhí ra (tương ứng 1Kg không khí với t2 = 35oC; = 94%). v’20(t2 = 30OC; = 90%) = 0,911 v”20(t2 = 40OC; = 90%) = 0,97 v’21(t2 = 30OC; = 100%) = 0,915 v”21(t2 = 40OC; = 100%) = 0,977 => v20(t2 = 35OC; = 90%) = v20(t2 = 35OC; = 90%) => v20(t2 = 35OC; = 100%) = v21(t2 = 35OC; = 100%) = => v2(t2 = 35OC; = 94%) = v2(t2 = 35OC; = 94%) = Suy ra thể tích (tác nhân sấy) ra khỏi buồng sấy trong 1 h Vkhí ra = Lo.v2 = 3579,5.0,943 = 3375(m3/h). Như vậy thể tích tác nhân sấy trong 1 h như vậy năng suất của quạt cần đáp ứng là Vquạt = V = 1,0008 (m3/s) = 3602,8(m3/h). CHƯƠNG VI TÍNH TOÁN DÂY ĐIỆN TRỞ VÀ LẮP ĐẶT Sau phần tính toán nhiệt chúng ta có công suất tháp sấy hữu ích là : P = Qo = 71,5 KW. I-Phương án tính theo Ilv và ttt. 1-Công suất thiết bị Chọn hệ số công suất là k = 1,16. Công suất thiết bị là P1 = k.P = 1,16.71,5 = 83(KW). Phụ tải được chia làm 36 nhánh đều trên ba pha. Như vậy một pha chúng ta có 12 nhánh dây đốt. Công suất rơi trên một nhánh là: Pnh = Dòng điện qua mỗi nhánh là: Inh = 2-Chọn dây đốt Do nhiệt độ của khí thoát ra khỏi Calorife là 90oC . Ta chọn dây đốt là Cr2Ni80-Ni có đặc điểm sau: Vật liệu Cr20-Ni80-Ni Khối lượng riêng ở 20oC (g/cm3) 8,4 Điện trở suất ở 20oC ρo (Ω.m) 1,1.10-6 Hệ số nhiệt điện trở α (oC-1) 16,5.10-6 Nhiệt độ chảy lỏng (oC) 1400 Nhiệt độ làm việc max (oC) 1150 Nhiệt độ làm việc Liên tục (oC) 1050 Gián đoạn (oC) 1000 Chọn nhiệt độ làm việc của thiết bị là 700oC. do chọn ttb < tlv < tmax(90oC < 700oC < 1800oC). 3-Tính nhiệt độ làm việc tính toán ttt ứng với trường hợp là thiết bị làm việc không treo ngang không khí động. ttt = kM.kC.tlv = 0,85.1,3.700 = 773,5oC. Trong đó : kM, kC : Hệ số phụ thuộc vào điều kiện đặt dây đốt và điều kiện bao quanh dây đốt ứng với trường hợp môi trường không khí động. Theo tài liệu [1] thì kM = 0,8÷0,9, kC=1,1÷1,5. Chọn kM = 0,85, kC = 1.3. 4-Chọn đường kính dây đốt d Theo bảng 1tài liệu [1] lập cho dây đốt Cr theo điều kiện tiêu chuẩn dây đốt căng ngang trong môi trường không khí tĩnh không có giá trị nhiệt độ là 773,5oC. nhưng theo tính toán ban đầu ta có được dòng làm việc của dây Ilv = Inh = 10,5(A). Như vậy ta có thể chọn dây đốt loại có ttt = 700oC > ttb = 90oC và có Ilv = 12,1(A)>Inh = 10,5(A) thỏa mãn đảm bảo công suất.Như vậy chúng ta chọn loại dây đốt có d = 1 mm. 5-Tính chiều dài l Từ Trong đó : : Điện trở suất của dây đốt ở 700oC (nhiệt độ làm việc) =.(1+α.(t - 20)) = 1,1.10-6.(1 + 16,5.10-6.(700 - 20)) =1,112.10-6. 6-Kiểm tra lại công suất Ptt1 = Ptt = 36.Ptt1 = 36.2,305 = 82,98 < 83(KW)(Hợp lý). Sai số về công suất . Với sai số như vậy là hoàn toàn hợp lý. II-Phương án tính theo nhiệt trở rt. 1-Chọn dây đốt Do nhiệt độ của khí thoát ra khỏi Calorife là 90oC . Ta chọn dây đốt là Cr2Ni80-Ni. có đặc điểm sau: Vật liệu Cr20-Ni80-Ni Khối lượng riêng ở 20oC (g/cm3) 8,4 Điện trở suất ở 20oC ρo (Ω.m) 1,1.10-6 Hệ số nhiệt điện trở α (oC-1) 16,5.10-6 Nhiệt độ chảy lỏng (oC) 1400 Nhiệt độ làm việc max (oC) 1150 Nhiệt trở rt (moC/W) 13,5.10-3 Nhiệt độ làm việc Liên tục (oC) 1050 Gián đoạn (oC) 1000 Chọn nhiệt độ làm việc của thiết bị là 700oC. do chọn ttb < tlv < tmax(90oC < 700oC < 1800oC). 2-Tính của dây đốt. =.(1+α.(t - 20)) = 1,1.10-6.(1 + 16,5.10-6.(700 - 20)) =1,112.10-6. 3-Tính d,l. Ta có mật độ công suất dây đốt Đường kính dây đốt d . Chiều dài dây đốt l trong phương án 1. Như vậy chúng ta có kết quả tính toán là hợp lý. 3-Tính số vòng xoắn n cho một nhánh dây đốt có chiều dài dã xoắn Lx. Ta chọn theo tài liệu [8] với dây đốt lò xo xoắn ta chọn: t = 3,5.ddây = 3,5.1 = 3,5 (mm). D = 10.ddây = 10.1 = 10 (mm). Trong đó : t: là bước dây quấn. D: là đường kính ống quấn cách điện. Như vậy chúng ta có số vòng xoắn của một nhánh dây đốt là : Chiều dài của một nhánh dây đốt đã xoắn là: Lx = n.t = 3,5.470 = 1641,67(mm) = 1,64(m). Theo như vậy thì ta có dây đốt quá dài làm cho Calorife cồng kềnh. Như vậy chúng ta se khắc phục bằng cách chia dây đốt thành 4 đoạn như sau: Như vậy chúng ta có độ dài một đoạn là . Chúng ta có sơ đồ đấu dây của Calorife là : Khối lượng dây đốt cần dùng trên một nhánh là : Tổng khối lượng dây nung cho 36 nhánh là G = 36.gnh = 36.0,097= 3,52 (Kg). Sơ đồ bố trí dây đốt : Chọn a = 1,2.D = 1,2.10 = 12(mm). b = 2,4.D = 2,4.10 = 24(mm). Ta bố trí dây dốt như hình vẽ sau: CHƯƠNG VII XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT VÀ CHỌN LOẠI QUẠT I- Các thông số chính để chọn quạt Lưu lượng không khí trung bình mà quạt cần cấp là : Vquạt = 3602,8(m3/h) = 1,0008(m3/s). II- Tính chọn quạt Nhiệt độ của không khí tăng lúc ra khỏi Calorife làm cho hệ số tỏa nhiệt đối lưu và hệ số truyền động nhiệt tăng. Tuy nhiên khi tốc độ tăng dẫn đến trở kháng thủy lực tăng và công suất tiêu hao quạt tăng . Do đó khi chọn tốc độ quạt chúng ta phải lựa chọn tốc độ của tác nhân khí.Theo tài liệu 4 và qua bài toán tối ưu chúng ta có bảng số liệu sau: Môi chất Tốc độ tác nhân ωkk (m/s). Chất lỏng nhớt ≤ 1 Chất lỏng ít nhớt và H2O 1÷3 Khí có nhiều bụi 6÷10 Khí sạch 12÷16 Hơi bão hòa 30÷50 Hơi quá nhiệt 50÷70 Theo bảng trên tác nhân sấy ở Việt Nam chúng ta chọn là tác nhân sấy là khí có nhiều bụi cho nên chọn tốc độ khí là ωkk = 10(m/s). Kết hợp với năng suất quạt cần đáp ứng là 3602,8(m3/h) theo như phần tính toán trên. Theo yêu cầu cột áp với hệ thống sấy tháp như đã chọn theo kinh nghiệm của ngành kỹ thuật sấy thì trở kháng thủy lực tổng là 130 mm H2O. Theo đồ thị đặc trưng của quạt ly tâm trung và hạ áp trong trang 336 tài liệu [4] .Ta chọn loại quạt là quạt số 5 No5 có các thông số sau: A là tích số số hiệu quạt và tốc độ quạt A = 6000; η là hiệu suất của quạt η = 0,4; Suy ra tốc độ quạt là . III-Tính công suất của quạt N Theo công thức 4.7 trong tài liệu [10] ta có công thức tính công suất của quạt : . Trong đó V = 1,0008(m3/s) là lưu lượng của tác nhân sấy không khí. H = 130(mmH2O) là cột áp của quạt . η = 0,47 là hiệu suất của quạt. Như vậy ta chọn quạt có công suất là 3 KW. IV-Kích thước của quạt ly tâm. Theo bảng 2.4.1 trang 212 tài liệu [10] ta có kích thước cấu tạo chính của quạt ly tâm như sau: Số hiệu quạt No5 Kích thước quạt Số hiệu quạt No Kích thước, mm A E K P B G N M L L1 5 358 455 575 323 532 390 221 255 450 350 Số hiệu quạt No Kích thước, mm Khối lượng kg L2 L3 L4 D D1 B2 B1 D Thép góc 5 416 494 24 500 535 356 416 22 50x50x5 84 V-Tính chọn động cơ kéo quạt Công suất của động cơ kéo quạt tính theo 4.26 theo tài liệu [10] ta có: . Trong đó a = 1,2 là hệ số dự trữ bảng 4.1 tài liệu [10]. ηt là hệ số hiệu dụng truyền động chọn là với khớp nối mềm chọn là ηt = 0,95. Tra theo bảng 10.1;10.10;10.11;10.12; tài liệu [7] chọn động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc thỏa mãn: Công suất Pđm ≥ P2’ = Ndc = 3,7(KW) Tốc độ nđm ≥ n = 1200(vòng/phút). Vậy chúng ta chọn loại động cơ thuộc dãy 3K cách điện cấp B của Nga có các thông số kỹ thuật sau: Thông số Ký hiệu Giá trị Thứ nguyên Công suất đầu trục P2(Pđm) 4 KW Tốc độ n 1500 Vòng/phút Hiệu suất η 84 % Hệ số công suất cosφ 0,84 Số đôi cực p 4 Bội số Momen cực đại mmax 2,2 Bội số Momen khởi động mkđ 2 Bội số dòng điện khởi động ikđ 6,5 Điện áp định mức động cơ Uđm 380 V Sơ đồ mang tải của động cơ Ở đây tải của động cơ là tải quạt gió. Khi động cơ làm việc với tốc độ định mức thì tốc độ của quạt phải đạt mức yêu cầu. Khi đó quạt tạo ra được năng suất cần thiết về lưu lượng gió cho thiết bị sấy yêu cầu quạt gió không bị quá tải. Nếu có trong trường hợp sự cố chỉ là do hư hỏng làm cho động cơ quá tải lúc chạm mạch stato. VI-Chọn thiết bị bảo vệ cho động cơ 1-Chọn Aptomat cho động cơ Dòng điện định mức của động cơ Dòng điện khởi động của động cơ Ikđ = ikđ.Iđm = 6,5.10,34 = 67,23(A). Chọn Aptomat bảo vệ cho động cơ: Có Iap ≥ 1,2.Iđm = 1,2.10,34 = 12,41(A). Uap = Uđm = 380 V Theo như tài liệu Ta chọn loại Aptomat sau: Của hãng ABB MCB SH203-C20 Có thông số kỹ thuật Thông số Giá trị Thứ nguyên Số cực p 3 Dòng định mức Iđm 20 A Áp làm việc Ulv max 400 V Mã số sản phẩm 2CDS213001R0204 Giá bán 22 USD Có thể đặt hàng qua mạng tại Việt Nam mail : farnell@tudonghoa24.com. CHƯƠNG VIII XÂY DỰNG MẠCH ĐỘNG LỰC I-Giới thiệu công nghệ Không khí đi vào tháp sấy phải có ổn định ở nhiệt độ xác định. Nếu quá nhiệt hay nhiệt độ thấp thì sản phẩm sấy sẽ hỏng hoặc không đảm bảo yêu cầu . Theo yêu cầu của nhiệt độ bài toán chúng ta có nhiệt độ không khí sau Calorife phải là 90oC nếu tăng quá nhiệt hoặc là giảm thì phải tự động cấp điện cho tải làm sao cho nhiệt độ dao động càng nhỏ càng tốt. Ta có năng lượng nhiệt cấp cho môi chất sấy tuân theo luật Jun-Lenx. Q = I2.R.t Do đó phần điều chỉnh nhiệt độ cho môi chất có hai phương pháp sau: -Điều khiển có tiếp điểm cổ điển. -Điều khiển không tiếp điểm. Điều khiển đóng ngắt có tiếp điểm có ưu điểm là đóng ngắt mạch điện đơn giản, chính xác khi mà cần khống chế nhiệt độ. Nhưng vấn đề tồn tại là khi mà tần số đóng ngắt cao sẽ ảnh hưởng tới độ bền cơ, độ bền điện của tiếp điểm. Điều khiển bằng đóng ngắt không tiếp điểm không có ưu điểm giống như điều khiển bằng đóng ngắt có tiếp điểm và đồng thời khắc phục được nhược điểm của điều khiển có tiếp điểm đó là có được tần số đóng ngắt lớn. II-Các sơ đồ mạch điều khiển không tiếp điểm Chúng ta chọn sơ đồ mạch động lực là sơ đồ dùng băm áp xoay chiều điều khiển bằng tiristor Chúng ta có công suất thiết bị sấy là P1 = 83(KW). Như vậy dòng hiệu dụng chạy qua va 1 fa lúc tải đấu Y Cosφ = 1 do tải là thuần trở. Dòng hiệu dụng chạy qua mỗi van là (Sơ đồ tiristor mắc song song ngược ) Dòng điện làm việc của van là 62,88 là khá đáng kể tổn hao tiristor là khá lớn cho nên ta chọn điều kiện làm mát van có cánh tản nhiệt và có quạt làm mát bằng đối lưu cưỡng bức bằng không khí thổi dọc cánh tản nhiệt. Với điều kiện làm việc này van cho phép làm việc tới 50% dòng điện định mức. Do đó dòng điện định mức của van là . Điện áp của tiristor ở trạng thái khóa Điện áp định mức của tiristor cần chọn là Utđm= Kdt.Utlv Trong đó Kdt : hệ số dự trữ điện áp theo 1.9 tài liệu [6]. Thì Kdt > 1,6. Chọn Kdt = 1,8. Như vậy Utđm = 1,8.537 = 966(V). Tiristor mắc vào lưới xoay chiều f = 50 Hz cho nên thời gian chuyển mạch của tiristor không ảnh hưởng tới việc chọn tiristor. Theo thông số trên chúng ta chọn tirstor loại 151RB100 có các thông số sau:Uđm = 1000(V). Iđm = 200(A). Uđk = 2,5(V). Iđk = 0,2(A) Ipik = 3,3(KA). Irò = 15(mA) Itg = 500(mA). ΔU = 2,2(V). tcm = 40(μs). Tcp = 125oC. Độ rộng xung điều khiển tx = 2.tcm = 2.40 = 80μs. a.Bảo vệ quá nhiệt làm mát van bán dẫn Diện tích tỏa nhiệt được tính theo công thức 1.41 tài liệu 5 Trong đó ΔP : Tổn hao công suất trên van . ΔP= ΔU.Ilv = 2,2.62,8 = 138,33(W). ktn : Hệ số có xét điều kiện tỏa nhiệt do ở đây điều kiện tỏa nhiệt là cánh tản nhiệt và quạt gió cho nên chọn ktn = 10.10-4 với ktn = (8÷12).10-4. τ độ chênh nhiệt độ môi trường chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là 80oC nhiệt độ môi trường là 40oC. Như vậy là τ = 80 – 40 = 40oC. Ta có diện tích tỏa nhiệt là Ta chọn cánh tản nhiệt như sau: Chọn loại tản nhiệt 12 cánh mỗi cánh có a x b = 14 x 14(cm x cm) Như vậy thì diện tích tỏa nhiệt sẽ là : Stn = 12x2x14x14 = 4704(cm2) > 4322,91(cm2). Thỏa mãn yêu cầu tản nhiệt. b.Bảo vệ van bán dẫn tiristor: Các loại bảo vệ thông dụng bao gồm : Bảo vệ ngắn mạch và quá tải bằng Aptomat. Ta chọn Aptomat: Iap = (1,1÷1,3).Iđmtải = 1,2.125,76 ≈ 150(A). Uap = Uđmtải = 220(V). Như vậy ta chọn loại aptomat có Iap = 150(A). Áp định mức là Uap = 220(V). Bảo vệ xung điện áp do chuyển mạch bằng R-C Ta chọn theo R = 20 Ω ,C = 3(μA). CHƯƠNG IX NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I.Nguyên lý điều khiển Uđf Urc Uđk Ud Xđk t1 t2 t3 t4 t5 Nguyên lý điều khiển t t t t Điều khiển tiristor chúng ta sử dụng nguyên lý thẳng đứng tuyến tính. Nội dung nguyên lý được mô tả như sau: Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của tiristor, để có thể điều khiển được góc mở của tiristor trong vùng điện áp + của anod, chúng ta tạo ra điện áp tựa dạng tam giác thường gọi là điện áp tựa răng cưa Urc . Như vậy chúng ta cần tạo ra điện áp tựa trong vùng điện áp điện áp dương anot. Dùng một điện áp điều khiển so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm t1,t4 thì điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Lúc này trong vùng điện dương anod,Phát xung điều khiển xđk, tiristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển cho tới khi dòng điện bằng 0. Nhận xét như vậy xung điều khiển chỉ là xung mồi không cần kéo dài khắp thời gian tiristor mở thông. II-Sơ đồ khối mạch điều khiển Để thực hiện được ý đồ nêu trong nguyên lý điều khiển tiristor đã nêu ở trên chúng ta có được sơ đồ khối phần điều khiển như sau: Với sơ đồ khối như trên nhiệm vụ của các khâu như sau: 1.Khâu đồng pha Có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Tiristor. 2.Khâu so sánh Nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. 3.Khâu tạo xung Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor. Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng (hình 1.20), để đảm bảo yêu cầu Tiristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristor); đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn). tx Xđk t tx Xđk t Với nhiệm vụ của các khâu như vậy tiến hành thiết kế, tính chọn các khâu cơ bản của ba khối trên. Chi tiết về các mạch này sẽ giới thiệu chi tiết ở phần sau. III-Sơ đồ mạch điều khiển Để thực hiện các khâu như trên chúng ta có ba phương án sử dụng -Thứ nhất là các sơ đồ mạch điều khiển kinh điển theo kiểu cũ là dùng các bộ op-am điều khiển -Thứ hai là dùng IC chuyên dụng điều khiển van công suất đó là TCA785 do hang Siemen chế tạo. Chuyên dùng điều khiển tiristor, triac, transistor góc mở từ 0 ÷180 độ. -Thứ ba là dùng vi xử lý để điều khiển ở đây tôi giới thiệu là Atmega8535 IC TCA785 là IC tích hợp do hãng Siemen sản xuất chuyên dụng để điều khiển Tiristor transistor và triac với góc mở từ 0 đến 180o. CHƯƠNG X MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỚI IC TCA785 I.Nguyên lý hoạt động TCA785 Tín hiệu điện áp đồng bộ được lấy từ nguồn lưới qua một cao trở. Một khối phát hiện điện áp 0 (zero voltage detector) xác định thời điểm mà điện áp đi qua 0 và chuyển thông tin này đến khối đồng bộ(Syncho.Registor). Khối đồng bộ điều khiển một bộ phát điện áp tựa. Tụ điện C10 của bộ phát điện áp tựa này được nạp bởi nguồn dòng một chiều(giá trị xác định bởi điện trở R9). Nếu điện áp tựa này lớn hơn điện áp điều khiển V11(điều khiển góc mở α) thì một tín hiệu được đưa tới khối logic. Dựa vào biên độ của điện áp điều khiển V11 mà góc mở có thể từ 0 đến 180o. Trong mỗi nửa chu kỳ một xung dương kéo dài khoảng 30μs xuất hiện ở đầu ra Q1 và Q2. Độ rộng xung có thể được kéo dài đến 180o qua tụ C12. Nếu giật đất chân 12 sẽ kéo dài xung từ thời điểm phát xung cho đến 180o. Đầu ra cho ra tín hiệu đảo của Q1, Q2 Tín hiệu độ rộng φ+180 dùng để điều khiển mạch logic ngoài có thể lấy từ chân số 3. Tín hiệu NOR của đầu ra Q1, Q2 là đầu ra Qz(chân số 7). Chân 13 được sử dụng để kéo dài độ rộng xung của đầu ra đến 180-φ. Sơ đồ điều khiển xung với TCA785. II.Mạch điều khiển với TCA785 Để thực hiện nguyên lý điều khiển như đã nêu ở chương trước chúng ta thực hiện các khâu như sau: 1.Khâu đồng bộ Hạn chế dòng điện cho điot Điot công suất ta chọn là điot FR204 là loại điot có thông số như sau : Dòng cho phép tối đa 2A Điện áp ngược cực đại 400V. Như vậy ta chọn dòng đi qua điot khoảng 1mA Điện trở R cần tìm là Công suất rơi trên điện trở là Như vậy chúng ta không cần dùng điện trở công suất vẫn có thể chịu được công suất như trên . Điện trở kim có thể chịu được công suất khoảng 0,25(W). 2.Khâu so sánh Tạo điện áp răng cưa ta sử dụng tụ C10 và điện trở R9 để tạo điện áp răng cưa. Giá trị của tụ C10 theo nhà sản xuất là (500pF÷1μF) ta chọn là 22nF điện trở R9 chọn là 220K. Điện trở R9 mục đích là tạo nguồn dòng nạp cho tụ C10. - Điện áp điều khiển chúng ta tạo từ AVR -Phát xung và kéo dài độ rộng xung chúng ta dùng tụ C12. Chọn giá trị của tụ C12 là 680pF. Điện áp đỉnh xung vuông là 15 V = Vs 3.Khâu khuếch đại và cách ly mạch động lực và mạch điều khiển. Để tính toán chúng ta tính ngược từ van trở lại - Tính biến áp xung. Vật liệu làm lõi là Ferit HM có ΔB = 0,3T, ΔH = 30A/m. Không có khe hở không khí. Tỷ số biến áp xung thường m = 2÷3. Ta chọn m = 3. Điện áp thứ cấp máy biến áp xung U2 = Uđk = 2,5(V). Điện áp sơ cấp máy biến áp xung U 1 = m.U2 = 3.2,5 = 7,5(V). Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung I2 = Iđk = 0,2(A). Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung . Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi Fe Trong đó μo = 1,25.10-6 là độ từ thẩm của không khí. Thể tích của lõi thép cần có Chọn mạch từ OA-20/25-6,5 có thể tích Vmt = Q.L= 0,162.7,1=1,15(cm3) > V = 0,66(cm3). Với mạch từ đã chọn chúng ta có thông số lõi thép n