Tài liệu Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho lò điện trở

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO LÒ ĐIỆN TRỞ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN i http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO LÒ ĐIỆN TRỞ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA TS. NGUYỄN THỊ THANH NGA PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN ii http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Vương Xuân Trường Sinh ngày: 06/03/1992 Học viên lớp cao học CK20_TĐH - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Nghề số 1 – Bộ Quốc Phòng Xin cam đoan: Đề tài “Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho lò điện trở” do Cô giáo TS. Nguyễn Thị Thanh Nga hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của cô giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Vương Xuân Trường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN iii http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Cô giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Thanh Nga, luận văn với đề tài “Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho lò điện trở” đã hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Cô giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Thanh Nga đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Khoa sau đại học, các thầy, cô giáo trong Khoa Điện – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn này. TÁC GIẢ LUẬN VĂN VƯƠNG XUÂN TRƯỜNG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN iv http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iv MỤC LỤC ................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................vii DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... xi CHƯƠNG 1 ................................................................................................................ 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÙNG ........................... 1 ĐIỆN TRỞ .................................................................................................................. 1 1.1 Giới thiệu về lò điện trở ...................................................................................... 1 1.1.1 Khái niệm ....................................................................................................... 1 1.1.2 Nguyên lý làm việc ........................................................................................ 2 1.1.3. Một số loại cảm biến nhiệt độ....................................................................... 7 1.1.4 Ứng dụng ....................................................................................................... 8 1.2 Giới thiệu lò điện trở tại phòng Thí nghiệm Bộ môn Tự động hóa .................... 9 1.3. Lịch sử nghiên cứu ........................................................................................... 13 1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................ 14 CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 15 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ ............................................. 15 2.1. Ý nghĩa của việc xây dựng mô hình toán học [2] ............................................ 15 2.2. Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp thực nghiệm ......................... 16 2.2.1. Khái niệm xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm [2] ................... 16 2.2.2. Dữ liệu để xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm ......................... 17 2.2.3. Một số phương pháp xây dựng mô hình toán bằng thực nghiệm [2] ......... 19 2.2.4. Sử dụng System Identification Toolbox trong Matlab ............................... 21 2.3. Tổng hợp bộ điều khiển ................................................................................... 27 2.3.1. Phương pháp Ziegler- Nichols 1 ................................................................. 29 2.3.2 Phương pháp modul tối ưu đối xứng ........................................................... 30 2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................ 33 CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 34 TỐI ƯU HÓA THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ ...................... 34 3.1. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển .................................................................... 34 3.1.1.Điều chỉnh thủ công ..................................................................................... 35 3.1.2.Phương pháp Ziegler–Nichols ..................................................................... 35 3.2.Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật Relay Feedback .............. 36 3.3. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật thực hiện luật điều khiển .................................... 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN v http://lrc.tnu.edu.vn 3.3.1. Giới thiệu chung họ PLC S7- 200 .............................................................. 39 3.3.2. Giới thiệu chung Modul mở rộng EM235 .................................................. 40 3.3.3 Bộ điều khiển PID của S7-200 .................................................................... 43 3.3.4 Bộ phát xung tốc độ cao trên PLC - S7 200 ................................................ 46 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................ 50 CHƯƠNG 4 .............................................................................................................. 51 THỰC NGHIỆM ....................................................................................................... 51 4.1 Kết nối các thiết bị thí nghiệm .......................................................................... 51 4.2. Chương trình thực nghiệm điều khiển ............................................................. 52 4.2.1. Bước 1: Cài đặt bộ điều chỉnh PID với tham số có được từ tổng hợp kinh điển ................................................................................................................................... 52 4.2.2. Bước 2: Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển................................................. 57 4.2.3. Bước 3: Cập nhật tham số tối ưu. ............................................................... 58 4.3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 63 4.4 Kết luận chương 4 ............................................................................................. 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 66 Kết luận ................................................................................................................... 66 Kiến nghị ................................................................................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN vi http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Diễn giải nội dung đầy đủ TT Ký hiệu 1 ADC Analog to Digital Converter, chuyển đổi tương tự - số 2 DAC Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tương tự 3 TBĐK Thiết bị điều khiển 4 ĐTĐK Đối tượng điều khiển 5 BĐK Bộ điều khiển 6 TBĐL Thiết bị đo lường 7 PLC Programmable logic controller 8 DCS Distributed Control System Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN vii http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở ............................................................. 2 Hình 1. 2. Các loại lò điện trở ..................................................................................... 6 Hình 1. 3. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân ............................. 7 Hình 1. 4 Lò điện trở PU-1 ......................................................................................... 9 Hình 1. 5. Dạng điện áp ra của Bộ biến đổi với điện áp ra là 9V ............................ 10 Hình 1. 6 Dạng điện áp ra của Bộ biến đổi với điện áp ra là 2.45V ......................... 10 Hình 1.7. Điện trở và quạt gió của lò điện trở .......................................................... 11 Hình 1.8. Mạch khuếch đại tín hiệu nhiệt độ và mạch lực bộ biến đổi .................... 12 Hình 1.9. Mạch phát xung điều khiển triac ............................................................... 12 Hình 1.10. Cảm biến đo nhiệt độ .............................................................................. 13 Hình 2.1. Cấu trúc Điều khiển theo nguyên tắc phản hồi ......................................... 15 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý thu thập dữ liệu lò gia nhiệt ........................................... 17 Hình 2.3 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng ............................................................... 17 Hình 2.4. Dữ liệu điện áp (volt) ................................................................................ 18 Hình 2.5. Dữ liệu nhiệt độ (oC) ................................................................................ 19 Hình 2.6. Giao diện công cụ System Identification Tool.......................................... 21 Hình 2.7 Chọn nhập dữ liệu trong miền thời gian .................................................... 22 Hình 2.8 Nhập dữ liệu nhận dạng mô hình ............................................................... 22 Hình 2.9 Đưa dữ liệu vào Working data và Validation Data .................................... 23 Hình 2.10. Hình vẽ của bộ dữ liệu theo thời gian ..................................................... 23 Hình 2.11. Giao diện Process Models ....................................................................... 24 Hình 2.12. Lựa chọn mô hình ................................................................................... 24 Hình 2.13. Kết quả nhận dạng ................................................................................... 25 Hình 2.14. Đánh giá kết quả nhận dạng mô hình ...................................................... 25 Hình 2.15. Giao diện kết quả nhận dạng ................................................................... 26 Hình 2.16. Đặc tính quá độ đối tượng ....................................................................... 27 Hình 2. 17. Cấu trúc bộ điều khiển PID .................................................................... 28 Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID ........................................................... 29 Hình 2. 19. Đặc tính quá độ hệ thống với bộ điều khiển tổng hợp bằng phương pháp Ziegler- Nichols 1 ..................................................................................................... 30 Hình 2. 20. Tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu đối xứng ................. 31 Hình 2. 21 Đặc tính nhiệt độ với BĐK bằng phương pháp tối ưu đối xứng ............. 32 Hình 3.1. Cấu trúc tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ............................................... 36 theo kỹ thuật Relay Feeedback ................................................................................. 36 Hình 3.2. Tín hiệu đặt khi thực hiện tối ưu hóa ........................................................ 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN viii http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.3. Đáp ứng để tính toán tham số cho tối ưu hóa ........................................... 37 Hình 3.4. PLC S7-200 .............................................................................................. 39 Hình 3.5. Giao tiếp Modbus giữa các PLC S7-200 .................................................. 40 Hình 3.6. Modul mở rộng tương tự EM235 ............................................................. 41 Hình 3.7 Sơ đồ khối đầu vào Analog của modul EM235 ......................................... 41 Hình 3.8. Sơ đồ khối đầu ra Analog của modul EM235 ........................................... 41 Hình 3.9. Cấu trúc bộ điều khiển PID trên PLC S7 200 ........................................... 43 Hình 3.10. Dạng xung PWM..................................................................................... 46 Hình 3.11. Lệnh phát xung PWM ............................................................................. 47 Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại xung PWM ....................................... 49 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý vi mạch ULN2803 ........................................................ 49 Hình 3.14. Mạch khuếch đại xung PWM .................................................................. 50 Hình 4. 1 Kết nối các thiết bị thí nghiệm .................................................................. 52 Hình 4.2. Chọn Mode hoạt động cho Wizard ........................................................... 53 Hình 4.3. Lựa chọn PID ............................................................................................ 53 Hình 4.4. Cài đặt các tham số ................................................................................... 54 Hình 4.5. Lựa chọn dạng tín hiệu vào và ra của PID ................................................ 55 Hình 4.6. Cảnh báo giá trị của tín hiệu phản hồi ...................................................... 55 Hình 4.7 Vùng nhớ Wizard sử dụng để cấu hình PID .............................................. 56 Hình 4.8. Đặt tên chương trình mã hóa PID ............................................................ 56 Hình 4.9. Tối ưu hóa tham số PID online ................................................................. 58 Hình 4.10. Giao diện PID Tune control panel ......................................................... 64 Hình 4.11. Đáp ứng nhiệt độ hệ thống ...................................................................... 64 Hình 4.12. Đáp ứng nhiệt độ hệ khi có nhiễu tác động............................................. 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN ix http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tổng hợp bộ điều khiển theo Ziegler- Nichols .......................................... 29 Bảng 3.1. Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp thủ công .............. 35 Bảng 3.2. Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp Ziegler–Nichols .. 36 Bảng 3.3. Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp Relay Feedback .. 38 Bảng 3.4 Các thành phần modul mở rộng EM235.................................................... 42 Bảng 3.5. Bảng cầu hình đầu vào modul EM235 ..................................................... 42 Bảng 3.6. Địa chỉ bộ điều khiển PID trên S7-200..................................................... 43 Bảng 3.7. Bảng điều khiển giá trị xung PWM .......................................................... 47 Bảng 3.8. Bảng cấu hình điều khiển xung PWM ...................................................... 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN x http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, trong công nghiệp rất nhiều bài toán điều khiển quá trình được đặt ra như điều khiển mức, lưu lượng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ .. Trong các bài toán đó thì bài toán về sử dụng nhiệt năng là rất lớn. Trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng có thể dùng để nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy các chất... Nguồn nhiệt năng này được chuyển từ điện năng qua các lò điện là phổ biến vì nó rất thuận tiện, dễ tự động hoá điều chỉnh nhiệt độ trong lò. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây nên khói, bụi nên không ảnh hưởng tới môi trường sống, sử dụng thuận tiện, dễ dàng. Trong điều khiển quá trình, xu hướng hiện nay là tích hợp cả phần cứng và phần mềm vì các thiết bị này có độ bền cao, độ hỏng hóc thấp, khả năng thay đổi chế độ làm việc cũng như các tham số rất linh hoạt. Đó chính là các hệ PLC, DCS... Để tiếp cận với thực tế này, trong nội dung chương trình đào tạo ngành Tự động hóa XNCN đã xây dựng môn học Điều khiển ghép nối PLC. Bộ môn Tự động hóa đang triển khai việc xây dựng bàn thực hành cho môn học này ứng dụng cho đối tượng nhiệt. Đã có đề tài nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển cho đối tượng này. Chất lượng điều khiển một hệ thống như thế nào hoàn toàn phụ thuộc vào bộ điều khiển. Với điều khiển quá trình, bộ điều khiển PID tỏ ra rất hiệu quả bởi thuật toán điều khiển đơn giản, dễ áp dụng, cho chất lượng điều khiển tốt. Tuy nhiên, việc xác định tham số bộ điều khiển hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác trong quá trình nhận dạng đối tượng, mà đối tượng lại luôn biến đổi. Chính vì vậy, tối ưu hóa tham số bộ điều khiển là một bài toán đặt ra trong điều khiển quá trình hiện nay. Từ những yêu cầu trên, đề tài luân văn của tôi sẽ nghiên cứu ”Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển ứng dụng cho lò điện trở” giúp nâng cao chất lượng, hiệu suất của các thiết bị gia nhiệt. Kết quả của luận văn ngoài việc cung cấp các kết quả về mặt lý thuyết giúp cho việc học tập và nghiên cứu còn có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tế. 2. Mục tiêu nghiên cứu Điều khiển lò điện trở (mô hình vật lý) đảm bảo chỉ tiêu chất lượng yêu cầu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN xi http://lrc.tnu.edu.vn 3. Dự kiến các kết quả đạt được - Cấu trúc và thuật toán điều khiển cho thiết bị gia nhiệt. - Mô hình điều khiển kiểm chứng thuật toán điều khiển sử dụng PLC. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp xác định mô hình toán của đối tượng điều khiển, các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển, các phương pháp tối ưu hóa tham số bộ điều khiển. - Nghiên cứu đối tượng: Nghiên cứu lò điện trở, bộ điều khiển logic khả trình PLC. - Áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm để kiểm chứng. 5. Cấu trúc của luận văn Luận văn được chia làm 4 chương: Chương 1. Tổng quan về điều khiển thiết bị gia nhiệt dùng điện trở Chương 2. Tổng hợp bộ điều khiển cho lò điện trở Chương 3. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển cho lò điện trở Chương 4. Thực nghiệm Kết luận và kiến nghị. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN xii http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÙNG ĐIỆN TRỞ 1.1 Giới thiệu về lò điện trở 1.1.1 Khái niệm Trong đời sống cũng như sản xuất, yêu cầu về sử dụng nhiệt năng rất lớn. Trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng dùng để nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy các chất... Nguồn nhiệt năng này được chuyển từ điện năng qua các lò điện là phổ biến vì nó rất thuận tiện, dễ tự động hoá điều chỉnh nhiệt độ trong lò. Trong sinh hoạt đời sống, nhiệt năng chủ yếu để đun, nấu, nướng, sưởi... Nguồn nhiệt năng cũng được chuyển từ điện năng qua các thiết bị điện như bàn là điện, bếp điện, nồi cơm điện, bình nóng lạnh... Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây nên khói, bụi nên không ảnh hưởng tới môi trường sống, sử dụng thuận tiện, dễ dàng. Việc biến đổi điện năng thành nhiệt năng có nhiều cách: nhờ hiệu ứng Juole (lò điện trở, bếp điện), nhờ phóng điện hồ quang (lò hồ quang, hàn điện), nhờ tác dụng nhiệt của dòng điện xoáy Foucault thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ (bếp từ)... Các lò điện trở dùng trong sinh hoạt trừ lò vi sóng và bếp từ, còn hầu hết dùng dây điện trở như bàn là, bếp điện, nồi cơm điện, siêu điện, bình nóng lạnh... Những dây điện trở sử dụng thường là hợp kim Nikel-Crôm có điện trở suất r = 1,1 Wmm2/m, nhiệt độ làm việc đến 11000c. Các dây điện trở dùng để chế tạo các dụng cụ sinh hoạt thường được đặt trong ống kín, trong ống lèn chặt bằng chất chịu nhiệt, dẫn nhiệt và cách điện với vỏ ống. Việc đặt dây điện trở trong ống kín sẽ tránh hơi ẩm và ôxy lọt vào, giảm được sự ôxy hoá, tăng độ bền và tuổi thọ cho lò điện trở. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 1 http://lrc.tnu.edu.vn Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, dùng trong công nghệ nung nóng, nấu chảy vật liệu. Lò điện trở được dùng rất phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp. 1.1.2 Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của lò điện trở dựa trên định luật Joule -Lence: khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn, thì trên dây dẫn toả ra một nhiệt lượng, nhiệt lượng này được tính theo biểu thức (1.1). Sơ đồ nguyên lý làm việc của lò điện trở thể hiện trên hình 1.1. 𝑄 = 𝐼2 ∙ 𝑅 ∙ 𝑡 (1.1) Trong đó: Q – Nhiệt lượng (J) I – Cường độ dòng điện (A) R – Điện trở (Ω) t – Thời gian (s) a - đốt nóng trực tiếp b - đốt nóng gián tiếp Hình 1. 1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 2 http://lrc.tnu.edu.vn Trong đó: 1. Vật liệu được nung nóng trực tiếp 2. Cầu dao 3. Biến áp 4. Đầu cấp điện 5. Dây đốt (dây điện trở) 6. Vật liệu được nung nóng gián tiếp - Phân loại: 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). Sau đó, dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt. Phân loại theo nhiệt độ làm việc: + Lò nhiệt độ thấp có nhiệt độ làm việc của lò dưới 650oC. + Lò nhiệt trung bình có nhiệt độ làm việc của lò từ 650oC đến 1200oC. + Lò nhiệt độ cao có nhiệt độ làm việc của lò trên 1200oC. Phân loại theo nơi sử dụng: + Lò dùng trong công nghiệp. + Lò dùng trong phòng thí nghiệm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 3 http://lrc.tnu.edu.vn + Lò dùng trong gia đình. 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 đó sau quá trình khởi động. Khi khống chế nhiệt độ bằng cách đóng cắt nguồn thì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị nhiệt độ ổn định. Phân loại theo kết cấu lò: lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể, … Phân loại theo mục đích sử dụng: lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung, … - 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: + Chịu 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 già hóa (tức dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo tuổi thọ của lò) - Vật liệu làm dây điện trở: Dây điện trở bằng hợp kim: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 4 http://lrc.tnu.edu.vn + 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 1200oC. + 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 cao. 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. Điện trở nung nóng bằng vật liệu phi kim loại: + Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu 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. - Các loại lò điện trở thông dụng: Theo chế độ nung, lò điện trở được phân thành hai nhóm chính: Lò nung theo chu kỳ, Lò nung nóng liên tục. Lò nung theo chu kỳ: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 5 http://lrc.tnu.edu.vn a – lò buồng b - lò giếng c - lò đẩy Hình 1. 2. Các loại lò điện trở + Lò buồng 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 1350°C, dùng dây điện trở bằng các thanh nung cacbuarun. + Lò giếng 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 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. Lò nung nóng liên tục: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 6 http://lrc.tnu.edu.vn + 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 băng 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. 1.1.3. Một số loại cảm biến nhiệt độ a. Nhiệt kế thuỷ ngân: chiều cao của cột thuỷ ngân tỷ lệ thuận với nhiệt độ của lò. Hình 1. 3. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân Trong đó: 1. Điện cực tĩnh, có thể dịch chuyển được nhờ nam châm vĩnh cửu 2. Thuỷ ngân đóng vai trò như một cực động 3. Vỏ thuỷ tinh 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 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. - Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, cùng một lúc thực hiện ba chức năng: cảm biến, khâu chấp hành và chỉ thị nhiệt độ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 7 http://lrc.tnu.edu.vn - Nhược điểm: Chỉ dùng được đối với lò điện nhiệt độ thấp (t°< 650°C), độ nhạy không cao do quán tính nhiệt của thuỷ ngân lỏng lớn. b. Nhiệt điện trở (RN): Trị số điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo biểu thức sau: 𝑅𝑅𝑁 = 𝑅𝑅𝑁𝑂 (1 + 𝛼𝑡 0 ) (1.2) Trong đó: 𝑅𝑅𝑁 - Trị số điện trở của nhiệt điện trở 𝑅𝑅𝑁𝑂 - Trị số điện trở của nhiệt điện trở trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ môi trường) 𝛼 - Hệ số nhiệt điện trở 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 (t°<650°C), trị số điện trở của nó chỉ tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong một dải nhất định. c. 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, dùng được trong tất cả các loại lò nhiệt độ làm việc tới 1350°C. - Nhược điểm: trị số sức nhiệt điện rất bé nên cần phải có một khâu khuếch đại chất lượng cao. 1.1.4 Ứng dụng Trong thực tế có rất nhiều công nghệ mô hình áp dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò điện trở như: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 8 http://lrc.tnu.edu.vn