BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN DỊCH CỰC LÒ HỒ QUANG

TỔNG QUAN

Lời nói đầu

Ngành thép Việt Nam là một ngành vật liệu cơ bản đầu vào cho các ngành công nghiệp quan trọng khác như cơ khí chế tạo, đóng tàu, chế tạo thiết bị đồng bộ, chế tạo máy móc ngành công nghiệp nặng… và công nghiệp hỗ trợ Gần như toàn bộ các chủng loại thép dùng cho công nghiệp chế tạo đang phải nhập khẩu Đây chính là “nút thắt” về vật liệu, cản trở rất lớn đến sự phát triển của công nghiệp chế tạo ở Việt Nam Năm 2016 và năm 2017, khối lượng nhập khẩu thép lần lượt là 18,4 và 15 triệu tấn, tương ứng 8 và 9 tỷ USD Mức sử dụng thép bình quân trên người ở Việt Nam vẫn ở mức thấp so với các nước đang phát triện, trong khu vực và trên thế giới Nhu cầu về thép trong những năm gần đây vẫn tiếp tục tăng Vì vậy, định hướng đầu tư trong giai đoạn tới cần chú ý đến việc ưu tiên các công nghệ tiên tiến, công suất lớn và đồng bộ từ luyện thép đến cán thép đảm bảo tự động hóa cao thì hiệu quả sản xuất mới cao, hạ giá thành sản phẩm và có thể cạnh tranh với các nước có công nghệ tiến như Nhật Bản, Hàn Quốc và đặc biệt là sản xuất thép từ Trung Quốc Chỉ có đầu tư đồng bộ, bài bản thì vấn đề về tiêu hao trong nhà máy luyện, cán thép mới giảm và vấn đề xử lý các chất phát thải mới triệt để và bảo vệ được môi trường

Trước kia, các ngành công nghiệp chưa được phát triển nhất là ngành luyện kim và ngành chế tạo máy, nên vấn đề chất lượng thép và thép hợp kim chưa được quan tâm đúng mức Nhưng sau chiến tranh thế giới lần thứ

2 nhất, nền công nhiệp ngày càng phát triển mạnh Trên thế giới lúc bấy giờ các ngành công nghiệp, nhất là luyện thép và hợp kim, ngành đúc chi tiết, chế tạo máy,… đang đà phát triển về sản lượng và chất lượng sản phẩm

Do yêu cầu và điều kiện kĩ thuật mới, sắt thép thông thường như trước kia không đáp ứng được với các dụng cụ máy móc, thiết bị tối tân Vì vậy, đòi hỏi phải sản xuất ra các chủng loại thép và hợp kim có những tính năng đặc biệt như độ bền cơ học cao, độ bền chống ăn mòn của môi trường axit, nước sông, nước biển,…Đặc biệt cần sản xuất các loại thép có tính đàn hồi cao, có tính nhiễm từ tốt, có tính chống nhiễm từ cao Do các tính chất đặc biệt trên thép được sản xuất ra từ lò thổi không khí, lò Besmer, lò Mactin(lò bằng) không thể đáp ứng được nữa mà phải cần nấu luyện trong các lò điện Để luyện thép và hợp kim trong lò điện, người ta tận dụng biến điện năng thành nhiệt năng dưới dạng hồ quang, cảm ứng điện từ, điện trở và dạng plasma

Việt Nam hiện nay cũng đang sử dụng 3 công nghệ sản xuất thép: lò chuyển luyện thép (BOF), lò điện hồ quang (EAF), lò cảm ứng (IF) Theo thống kê của Hiệp Hội Thép Việt Nam tại thời điểm năm 2018, Việt Nam có tổng số 29 đơn vị sản xuất thép, trong đó có 5 đơn vị sử dụng BOF,

15 đơn vị sử dụng EAF và 8 đơn vị sử dụng IF Vì lò hồ quang có thể dùng nguyên liệu từ sắt thép phế liệu, điều này giúp tiết kiệm nguyên liệu, năng lượng nên đạt hiệu quả kinh tế cao và môi trường Do đó, Việt Nam phần lớn thép được sản xuất bằng công nghệ lò điện hồ quang Sản lượng lò hồ quang chiếm 80-90% tổng lượng thép lò điện.

Tổng quan về lò hồ quang

1.2.1 Lịch sử phát triển lò hồ quang

Từ năm 1888 đến năm 1892 Heroult người Pháp (PLTHéroult) đã sử dụng nhiệt độ cao của hồ quang điện của điện cực để phát triển nguồn năng lượng thay thế cho than đá và phát minh ra lò điện hồ quang để nấu chảy trực tiếp trong công nghiệp Lúc đầu, lò điện hồ quang chỉ được sử dụng

3 để sản xuất canxi cacbua và ferroalloys Mãi đến năm 1906, nó mới được phát triển để sản xuất thép, cho phép tái chế phế liệu thép quy mô lớn và tiết kiệm Lò điện hồ quang chuyển hóa năng lượng điện thành nhiệt thông qua hồ quang được tạo ra giữa đầu cuối của điện cực than chì và điện tích để làm nóng chảy điện tích và hoàn thành phản ứng luyện kim nhiệt độ cao tiếp theo

Do sử dụng năng lượng điện nên việc điều chỉnh không khí trong lò rất tiện lợi, vì vậy nó có thể nấu chảy các loại thép hợp kim khác nhau kể cả các nguyên tố dễ bị oxy hóa Với sự phát triển của ngành điện lực, việc cải tiến liên tục các thiết bị quá trình và cải tiến công nghệ luyện, việc ứng dụng lò điện hồ quang ngày càng sâu rộng, năng lực và quy mô sản xuất ngày càng lớn Công suất tối đa của lò điện hồ quang là 100 tấn vào những năm 1930, 200 tấn vào những năm 1950 và các lò điện hồ quang 400 tấn được đưa vào sản xuất vào đầu những năm 1970 Đặc biệt trong 50 năm qua, tính năng kỹ thuật của các lò luyện thép hồ quang điện từng bước được cải thiện, giá thành sản xuất giảm đáng kể Tỷ trọng thép lò điện ở các nước phát triển ở Châu Âu và Châu Mỹ đã vượt quá 50%

Sự phát triển của công nghệ nấu chảy bằng lò điện hồ quang hiện đại tiến bộ cùng thời đại Từ những năm 1960 đến những năm 1970, trọng tâm chính là phát triển nguồn cung cấp năng lượng cực cao và các công nghệ liên quan Lò hồ quang điện công suất cao (HP) và lò hồ quang điện công suất cực cao (UHP) so với lò hồ quang điện thông thường (RP) Chúng chủ yếu được phân biệt bằng số lượng công suất máy biến áp trên một tấn công

4 suất lò, và có xu hướng ngày càng tăng trong những năm gần đây Điều này có nghĩa là nhiệt năng đầu vào lò điện hồ quang trên một đơn vị thời gian được tăng lên rất nhiều, rút ngắn đáng kể thời gian nóng chảy, do đó tăng công suất sản xuất, giảm tiêu hao điện cực, giảm tổn thất nhiệt và giảm tiêu thụ điện năng Nhờ đó, năng lực sản xuất được tăng lên và chi phí cũng giảm đáng kể

Hoạt động hồ quang dài áp suất cao, thành lò làm mát bằng nước, vỏ lò làm mát bằng nước, công nghệ xỉ bọt và sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài để hỗ trợ lò điện hồ quang công suất cực lớn đã được áp dụng rộng rãi Tinh chế gáo và tăng cường sử dụng oxy cũng đã được áp dụng Trong những năm 1980, sự phát triển của công nghệ LF và EBT đã làm cho quá trình luyện thép bằng lò điện hồ quang hiện đại của quá trình nấu chảy bằng lò điện hồ quang cộng với quá trình tinh luyện bên ngoài về cơ bản hoàn thiện Điều đáng chú ý là kể từ đó, trọng tâm của sự chú ý của mọi người không còn là sử dụng nguồn điện một chiều hay xoay chiều nữa, mà là việc sử dụng quá trình đốt thứ cấp và nhiệt cảm nhận của khí lò, tức là vấn đề nung nóng thép phế liệu Các phương pháp gia nhiệt sơ bộ phế liệu khác nhau đã tạo ra các loại lò hồ quang điện hiện đại khác nhau, bao gồm lò hồ quang điện thông thường sử dụng rổ phế liệu để làm nóng sơ bộ, lò trục ống khói có vuốt, lò hồ quang điện hai lớp và lò hồ quang điện Consteel Hiện nay, thiết bị và công nghệ sản xuất của lò điện hồ quang vẫn đang được phát triển không ngừng

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của lò hồ quang

Hình 1.2 Lò hồ quang

Lò hồ quang lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang để nấu chảy kim loại và nấu thép hợp kim chất lượng cao.Vật liệu tiếp xúc trực tiếp với hồ quang và dòng điện của điện cực đi qua vật liệu

Chu trình nấu luyện của lò hồ quang gồm ba giai đoạn với các đặc điểm công nghệ sau:

 Giai đoạn nung nóng nguyên liệu và nấu chảy kim loại

Trong giai đoạn này, lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 ÷ 80% năng lượng của toàn mẻ nấu luyện và thời gian chiếm 50 ÷ 60% toàn bộ thời gian một chu trình

(thời gian một mẻ nấu luyện) Trong giai đoạn này thường xuyên xảy ra hiện tượng ngắn mạch làm việc, ngọn lửa hồ quang cháy kém ổn định, công suất nhiệt không cao do ngọn lửa hồ quang ngắn (1 ÷

 Giai đoạn ôxy hoá là giai đoạn khử cacbon (C) của kim loại đến một trị số hạn định tuỳ theo mác thép, khử phốt pho (P) và khử lưu huỳnh trong mẻ nấu Ở giai đoạn này, công suất nhiệt chủ yếu để bù lại tổn hao nhiệt trong quá trình nấu luyện; nó chiếm khoảng 60% công suất nhiệt của giai đoạn nấu chảy kim loại

 Giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử oxy, khử sunfua trước khi thép ra lò Công suất nhiệt của ngọn lửa hồ quang trong giai đoạn này khá ổn định Công suất yêu cầu chiếm khoảng 30% của giai đoạn nấu chảy kim loại Độ dài cung lửa hồ quang khoảng 20mm

Việc kiểm soát chuyển động của điện cực dựa trên việc duy trì mức không đổi của trở kháng bên ngoài hồ quang điện đang cháy Trong thập kỷ trước, chúng đã trải qua một sự thay đổi mạnh mẽ do sự trỗi dậy của thế hệ kỹ thuật điện toán mới trong ngành như bộ điều khiển và ổ điện điều khiển kỹ thuật số Điện áp của máy biến áp điện lò có thể thay đổi theo từng bước thông qua thiết bị thay đổi vòi Nhưng theo quy định, việc thay đổi vòi máy biến áp không được áp dụng trong các lò nhỏ trong quá trình công nghệ Dễ dàng giải quyết vấn đề hỏng điện cực khi đánh lửa bằng hồ quang trong các ổ điện cập nhật bằng cách điều chỉnh các điểm đặt giới hạn dòng điện trong chuyển động của điện cực được điều khiển bởi xi lanh thủy lực và cảnh báo quá tải được truyền đến bộ điều khiển chính để đảm bảo phản ứng thích hợp của hệ thống Với sự trợ giúp của thiết bị tự động hóa hiện đại, có thể tích hợp hệ thống điều khiển vào một mạng cấp cao nhất để tổ chức các hệ thống ghi các loại khác nhau

Hệ thống quản lý tài liệu hoặc kiểm soát Việc sử dụng EAF cho phép thép được sản xuất từ nguyên liệu 100% kim loại phế liệu, thường được gọi là 'thức ăn sắt nguội' để nhấn mạnh thực tế rằng đối với EAF, phế liệu là nguồn cấp dữ liệu được quy định vật chất Lợi ích chính của việc này là giảm nhiều năng lượng cụ thể (năng lượng trên một đơn vị trọng lượng)

7 cần thiết để sản xuất thép EAFs có thể được khởi động và dừng nhanh chóng, cho phép nhà máy thép thay đổi sản lượng theo nhu cầu Mặc dù các lò hồ quang luyện thép thường sử dụng thép phế liệu làm nguyên liệu chính, nhưng nếu kim loại nóng từ lò cao hoặc sắt khử trực tiếp có sẵn về mặt kinh tế, chúng cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho lò.

Phân loại các loại lò

Hình 1.3 Lò điện trở

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 nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt năng được chuyển tới các vật liệu gia nhiệt Lò điện trở thường dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu,

 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 nhiệt độ được điều khiển bằng điện

 Đảm bảo độ kín cần thiết

 Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển sản phẩm

 Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, vận hành thuận tiện, thiết bị gọn nhẹ

 Tiêu thụ nhiều điện năng

 Nếu lò có công suất lớn thì phải có tính toán chọn các thiết bị bảo vệ, vận hành dài hạn hợp lí

 Yêu cầu người vận hành phải có chuyên môn

Hình 1.4 Lò cảm ứng

Lò cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đặt một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên thì trong khối kim loại sẽ xuất hiện ( cảm ứng ) các dòng điện xoáy ( dòng Foucalt ) Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại

 Không sử dụng điện cực carbon, carbon không được thêm vào trong quá trình nấu chảy, do đó thép và hợp kim có hàm lượng carbon rất thấp có thể được nung chảy

 Không có vũ khí, sự phân hủy khí ở vùng nhiệt độ cao của hồ quang có thể tránh được, và do đó thép có hàm lượng khí thấp hơn có thể bị nóng chảy

 Việc điều chỉnh công suất và nhiệt độ rất đơn giản và thuận tiện, phạm vi của nó rộng, có thể kiểm soát chính xác nhiệt độ cần thiết cho kim loại

 Hoạt động khuấy điện của thép nóng chảy trong nồi nấu kim loại làm tăng tốc độ phản ứng luyện kim giữa thép nóng chảy và xỉ, và có thể thúc đẩy loại bỏ các vùi và khí phi kim loại, và cũng có lợi cho sự đồng nhất hóa nhiệt độ và hóa học thành phần của thép nóng chảy

 Tốc độ phục hồi của các nguyên tố hợp kim cao Các nguyên tố hợp kim dễ bị oxy hóa có thể được thêm vào trong trường hợp thép nóng chảy được khử oxy tốt Diện tích bề mặt đơn vị của bể lò cảm ứng là nhỏ, do đó các yếu tố hợp kim ít bị đốt cháy và tỷ lệ thu hồi cao

 Nóng chảy có thể được thực hiện trong chân không hoặc trong một bầu không khí thuận lợi cho nấu chảy

 Xỉ không thể được làm nóng bằng cảm ứng, chỉ có thể được làm nóng bằng thép nóng chảy, do đó nhiệt độ xỉ thấp, không có lợi cho phản ứng giữa giao diện xỉ thép

 Bức tường mỏng hơn, kết hợp với sự khuấy trộn và tuôn ra liên tục của dòng chảy kim loại, sự cọ rửa và xói mòn của xỉ, và sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bên trong và bên ngoài bức tường, do đó tuổi thọ của nồi nấu kim loại ngắn, nói chung chỉ vài chục lần

Lò hồ quang là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại Lò điện hồ quang dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao

 Sử dụng thứ cấp các nguyên tố hợp kim thép phế liệu , nhiệt độ cao hồ quang có thể làm nóng chảy các nguyên tố hợp kim chịu lửa , có thể kiểm soát chính xác nhiệt độ lò

 Luyện thép bằng lò điện hồ quang có thể tái sử dụng các nguyên tố hợp kim trong thép phế liệu

 Nhiệt lượng sinh ra trong lò hồ quang điện giữa các điện cực bằng than chì và gang lỏng tỏa ra nhiệt độ 3000 độ C và dễ điều chỉnh

 Lò điện hồ quang có thể kiểm soát chính xác nhiệt độ của thép nóng chảy trong thời gian dài

 Quy trình lò điện hồ quang linh hoạt và có thể đáp ứng các yêu cầu của luyện kim loại nhỏ

 Luyện được thép có các thành phần khó nóng chảy như vonfram, modipden

 Khả năng nạp phế liệu liên tục (nhưng cần có công nghệ đặc biệt →

 Hàm lượng các nguyên tố vi lượng có hại như Cu, Cr, Ni thấp

 Thành phần hóa học thống nhất (cải thiện hiệu quả lò hồ quang)

 Ít mất thời gian và năng lượng

 Tỷ trọng khối lượng lớn hơn so với phế liệu

 Hàm lượng Hydro và Nitơ trong thép giảm

 Hàm lượng cacbon cao so với phế liệu (giảm cacbon được đưa vào lò hồ quang)

 Ít đứt gãy cơ điện cực hơn so với phế liệu

 Năng lượng hóa học được cung cấp hiệu quả bởi cacbon chứa, thúc đẩy quá trình tan chảy nhanh hơn và tăng năng suất

 Thành phần hóa học không phù hợp

 Tăng tiêu thụ điện cực

 Vật liệu phản ứng cao (nguy cơ tự bốc cháy )

 Năng suất kim loại hầu hết thấp hơn do hàm lượng gang và oxy (FeO)

 Tường và mái lò hồ quang tiếp xúc với hồ quang

Lí do chọn lò hồ quang

Theo Hiệp hội Thép Việt Nam, để phát triển hệ thống sản xuất và phân phối thép giai đoạn đến 2020, có xét đến năm 2025 cần tập trung một số yêu cầu sau:

 Ưu tiên đầu tư các dự án sản xuất gang, phôi thép, thép tấm cán nóng, thép hợp kim, thép chất lượng cao, thép hình cỡ lớn, thép không gỉ hiện nay trong nước sản xuất chưa đáp ứng đủ nhu cầu hoặc chưa sản xuất được

 Chỉ thực hiện đầu tư các dự án sản xuất gang, phôi thép từ quặng sắt trên địa bàn sau khi đã xác định được trữ lượng tin cậy của nguồn quặng sắt, đảm bảo có đủ nguồn nguyên liệu ổn định, lâu dài (tối thiểu là 15 năm) và đảm bảo hiệu quả kinh tế của Dự án Đồng thời,

12 khai thác nguồn than mỡ trong nước; nhập khẩu than mỡ, than cốc đáp ứng đủ cho nhu cầu trong nước

 Các dự án sản xuất thép theo công nghệ EAF tiêu thụ nhiều điện năng, do vậy, để đảm bảo đủ nguồn điện cung cấp cho dự án, trước khi cấp phép đầu tư, Chủ đầu tư cần có thoả thuận của ngành điện nơi đặt nhà máy luyện thép

 Áp dụng công nghệ tiên tiến, hiện đại với suất tiêu hao nguyên liệu, điện năng thấp, đảm bảo các yêu cầu về phát thải, thân thiện với môi trường, lắp đặt hệ thống quan trắc tự động đối với khí thải Ở đồ án này chúng ta tìm hiểu thiết kế điều khiển dịch cực lò hồ quang dung tích 12 tấn dùng nấu thép sử dụng thiết bị nâng hạ điện cực kiểu bàn trượt với sự dẫn động bằng động cơ điện

LÒ HỒ QUANG

Cấu tạo lò hồ quang

Hình 2.1 Cấu tạo lò hồ quang

Thiết bị cơ khí lò điện hồ quang:

Vỏ lò cần có độ bền cơ học cao, có khả năng chịu tải trọng của kim loại và áp lực giãn nở khi nung nóng, vỏ lò thường làm bằng thép tấm dày

10 ÷30mm bằng cách ghép hay hàn.Trong vỏ lò có xây vật liệu chịu lửa, vỏ thân lò thường có dạng hình trụ hình côn hoặc phối hợp trụ côn, đáy vỏ lò có thể là hình cầu, hình thang

Lò gồm hai cửa, cửa ra xỉ và cửa ra thép Cửa lò được đóng mở bằng khí nén thuỷ lực hoặc bằng động cơ điện

Trong lò điện cặp điện cực để giữ điện cực và dẫn dòng điện đến điện cực Nó gồm có các bộ phận: mặt đầu, cặp lò xo, khí nén và bàn trượt

(4) Nắp lò Được làm từ thép tấm có đầm vật liệu chịu lửa

(6) Vành làm chặt Để làm giảm khe hở giữa điện cực và lắp lò

Tuỳ theo dung lượng lò mà chọn kiểu nghiêng lò cho thích hợp, đảm bảo nghiêng lò 40 ÷ 45 0 về phía rót thép và 10 ÷ 15 0 về phía cào xỉ và chất liệu, có hai kiểu nghiêng lò:

 Nghiêng lò bên hông: Loại này có ưu điểm là thiết bị đơn giản gọn gàng, khi mất điện có thể quay bằng tay, tránh được sự bám dính của xỉ và kim loại

 Nghiêng lò đặt dưới đáy: Loại này có ưu điểm là quay lò rất vững chắc, quay êm và đều, có thể tự động điều khiển hoàn toàn Loại này có nhược điểm là dễ rơi xỉ và kim loại vào động cơ điện Công việc bảo quản thiết bị khó khăn, phức tạp Tất cả các lò có dung tích trung bình và lớn đều có cơ cấu nghiêng lò loại 2

(8)Thiết bị cơ khí nâng hạ điện cực

Bình thường lò điện có 3 điện cực, tương ứng có 3 cơ cấu nâng hạ điện cực của 3 pha Khi động cơ quay sẽ làm cho tay quay kéo giây cáp, dây cáp sẽ nâng hoặc hạ điện cực lên hoặc xuống

Trong cơ cấu nâng hạ còn có đối trọng, nhờ có đối trọng mà tốc độ lên của điện cực luôn lớn hơn tốc độ xuống.Tuỳ theo loại lò mà tốc độ lên và xuống của điện cực cũng khác nhau Đối với lò lớn:

V xuống = 0,5 ÷ 0,8m/p Đối với lò nhỏ:

Có hai loại thiết bị nâng hạ điện cực:

 Loại bàn trượt: Loại này thường dùng thích hợp cho lò có dung tích nhỏ, vì thiết bị đơn giản, dễ chế tạo nhưng có nhược điểm là do trụ đứng cần có chiều cao nhất định lên ảnh hưởng đến sự làm việc chung của cần trục trong phân xưởng

 Loại trụ xếp: Loại này dùng thích hợp cho những lò có dung tích lớn, có thể hạ thấp chiều cao khi cần thiết, kết cấu chắc chắn nhưng phức tạp Ở đồ án này với lò dung tích 12 tấn dùng thiết bị nâng hạ điện cực kiểu bàn trượt với sự dẫn động bằng động cơ điện

(9)Ngoài ra đối với lò hồ quang nạp liệu từ trên cao còn có cơ cấu nâng quay vòm lò, cơ cấu nạp liệu

Trong các lò hồ quang có nồi lò sâu, kim loại lỏng ở trạng thái tĩnh có chênh nhiệt độ theo độ cao (khoảng 100 0 C/m) trong điều kiện đó để tăng cường phản ứng của kim loại và để đảm bảo khả năng nung nóng kim loại trước khi rót Cần phải khuấy trộn kim loại lỏng Ở các lò dung lượng nhỏ (dưới 6T) thì việc khuấy trộn thực hiện bằng tay qua cơ cấu cơ khí Với lò dung lượng trung bình (12 ÷ 50)T và đặc biệt lớn(100T và hơn) thì thực hiện bằng thiết bị khuấy để không những giảm lao động vất vả của thợ nấu mà còn nâng cao được chất lượng của kim loại nấu Thiết bị khuấy trộn kim loại lỏng thường là thiết bị điện từ có nguyên lý làm việc tương tự như động cơ không đồng bộ Rôto lồng sóc

(10)Cơ cấu làm mát cho lò

Vì trong quá trình nấu luyện kim loại thì nhiệt độ trong và xung quanh lò đạt rất cao do đó cần phải có thiết bị làm mát để giảm nhiệt độ và tăng tuổi thọ cho lò Làm nguội bằng nước yêu cầu cần có các bộ phận sau:

 Mặt đầu của cặp điện cực

 Vành làm chặt giữa điện cực và nắp lò

 Tấm chắn cửa chính và cửa phụ

 Vòm cửa lò và cột của cửa làm việc

 Thân vỏ lò và trên lỗ rót thép

Ngoài ra còn cần làm nguội ở các ống mềm, phần dây cáp Hệ thống bơm nước làm mát tuần hoàn được thực hiện bằng một động cơ điện, nước được đi vào trong ống rồi tới lò.

Luyện thép trong lò hồ quang

Nguyên vật liệu chính để sản xuất thép lò điện là sắt thép vụn, phế liệu hợp kim, sắt công nghiệp (sắt mềm), gang luyện, chất tạo sỉ, chất khử oxy và hợp kim hoá( phụ gia kim loại) và chất tăng cacbon

Hình 2.2 Nguyên vật liệu để luyện thép

 Phế phẩm thép ở các xưởng cơ khí, như phoi bào, phoi tiện

 Phế phẩm từ các xưởng đúc như vật liệu đúc hỏng, thép thừa khi đúc

 Đầu thừa ở các xưởng cán

 Các loại thép vụn hư hỏng khác như công cụ lao động, máy móc bị thải, vũ khí, đường day hư hỏng…

Hiện nay sắt thép vụn thiếu nên cần có cả gang để bổ xung thêm

Dùng để luyện các loại thép hợp kim cùng nguyên tố hợp kim Sử dụng phế liệu hợp kim có một ý nghĩa rất lớn ngoài tác dụng nâng cao chất lượng của thép mà còn hạ giá thành của thép

(3) Sắt công nghiệp (sắt mềm)

Dùng để luyện một số loại thép yêu cầu cacbon thấp lượng nguyên tố hợp kim cao Do giá thành của sắt công nghiệp cao hơn sắt thép vụn bình thường nên người ta dùng để luyện những loại thép phổ thông

Gang trong luyện thép lò điện làm nhiệm vụ tăng hàm lượng sắt và hàm lượng cacbon Ngoài ra do gang có nhiệt độ chảy thấp (

125 0 ÷1300 0 c) Nên gang trong lò điện còn làm nhiệm vụ giúp cho các chất khó chảy khác ( thép vụn) trở nên dễ chảy hơn

(5) Chất tạo xỉ Để tạo xỉ trong lò điện hay dùng các chất tạo xỉ sau

 Đá vôi (CaCO3): Đá vôi cho vào để tạo xỉ có độ kiềm thích hợp nhằm khử P và S Đá vôi có thể cho vào ở thời kỳ nấu chảy, thời kỳ oxy hóa, và cả thời kỳ hoàn nguyên, lượng cho vào tuỳ thuộc qúa trình công nghệ Dùng đá vôi có ưu điểm là độ bền cao, độ ẩm thấp, ít lưu huỳnh

 Vôi: Cũng như đá vôi, vôi cho vào lò để tạo xỉ có độ kiềm thích hợp nhằm khử P và S

 Huỳnh thạch: Trong lò điện có tác dụng giảm nhiệt độ chảy của xỉ có độ kiềm cao

 Cát: ở một số nhà máy người ta ít dùng cát với số lượng không lớn lắm để tạo xỉ hoàn nguyên

 Bột samot: Bột samot chứa gần 60% SiO2 và 35% Al2O3 Bột samot làm vật liệu tạo xỉ khi luyện thép không gỉ, để làm loãng xỉ manhezit mà nó được mang vào khi vá lò

Mục đích cho các chất oxy hóa vào lò để:

 Tăng lượng oxy trong kim loại, chủ yếu ở thời kỳ nấu chảy và thời kỳ oxy hóa, nhằm mục đích tăng tốc độ khử phôt pho, cacbon, silic và Mangan do đó rút ngắn được thời gian oxy hóa các nguyên tố trên

 Tăng sự sôi trong nồi lò kim loại, do đó tạo điều kiện tốt cho việc khử khí (N2, H2 ) và tạp chất được triệt để, ngoài ra sự sôi còn làm cho thành phần và nhiệt độ kim loại được đồng đều Trong lò điện hay dùng các chất oxy hóa sau:

 Quặng sắt: Là chất oxy hóa rất quan trọng, vì vậy hầu hết các phương pháp luyện thép đều dùng quặng sắt làm chất oxy hóa, lượng quặng sắt dùng khoảng 40÷50kg/ 1tấn thép Yêu cầu đối với quặng sắt phải có hàm lượng oxy cao, hàm lượng SiO2 và P2O5 thấp, khi dùng quặng sắt làm chất oxy hóa có ưu điểm là sắt lắng sâu vào lòng kim loại và oxy ngay trong lòng kim loại giúp cho kim loại sôi mạnh, dùng quặng sắt rất kinh tế vì nó rất rẻ mà tăng được lượng sắt Dùng quặng sắt có nhược điểm là lượng xỉ nhiều vì trong quặng sắt ngoài oxit sắt ra còn có SiO2, Al2O3 và MnO Do đó tốn vôi để tạo xỉ, năng lượng điện lớn, công nhân làm việc vất vả nhất là khi cào xỉ Đồng thời khi cho quặng vào làm cho nhiệt độ dễ bị giảm

 Vẩy sắt: Vẩy sắt lấy từ xưởng rèn, xưởng cán, vẩy sắt có ít tạp chất, nhưng có nhược điểm là nhẹ cho vào lò sắt dễ dàng nổi trên mặt xỉ

 Oxy: Oxy được thổi vào lò ở thời kỳ nấu chảy hoặc có khi cả thời kỳ oxy hóa với lưu lượng 20m 3 /h, áp suất 9÷12atm, độ nguyên chất 99,8%

Trong lò điện để khử oxy còn lại trong kim loại lỏng khử các tạp chất có hại như S và P đồng thời hợp kim hoá thép người ta dùng các chất Ferô - mangan, Ferô -Silic, nhôm

(8) Chất tăng cacbon Để tăng cacbon người ta dùng vụn điện cực và cốc để khử oxy của xỉ dùng bột cốc, bồ hóng, than gỗ Vật tăng cacbon rất tốt là bột điện cực vì nó chứa ít S, có trọng lượng riêng tương đối lớn vì vậy dễ hoà tan với kim loại

2.2.2 Chuẩn bị nguyên vật liệu mẻ luyện:

Tất cả nguyên liệu được tập kết ở bãi liệu sau đó đem cắt gọn, vệ sinh rồi vận chuyển vào phân xưởng luyện thép

Chuẩn bị quá trình luyện:

Quá trình luyện có thể chia làm các giai đoạn sau: Vá lò, chất liệu (chính), nấu chảy kim loại (chính), khử phốt pho, sôi và nung kim loại, cào xỉ oxy hóa, tăng cacbon, khử oxy, khử lưu huỳnh, điều chỉnh thành phần hoá học Một số trong các giai đoạn trên có thể tiến hành song song Giai đoạn khử phốt pho, sôi và nung kim loai, cào xỉ oxy hóa thuộc về thời kỳ oxy hóa, còn giai đoạn tăng cacbon khử oxy, khử lưu huỳnh, điều chỉnh thành phần hoá học thuộc về thời kỳ hoàn nguyên

Sau khi rót thép song, đáy lò và tường lò bị lồi lõm do kim loại và xỉ bào mòn không đều trong quá trình nấu luyện, chỗ bị bào mòn nhiều thì bị lõm xuống, chỗ bị thép và xỉ bám dính do rót không hết thì lồi lên Do đó tường lò, đáy lò chóng bị hỏng Mặt khác những chỗ lồi lõm đó sẽ cản trở cho qua trình rót thép ra ở mẻ sau Để đảm bảo tuổi thọ đáy lò và tường lò cao, chất lượng thép tốt, trước khi bứơc vào luyện mẻ sau phải thực hiện vá lò

(2) Những yêu cầu khi vá lò

 Thời gian vá lò ngắn nhất để giảm tổn thất nhiệt và rút ngắn thời gian luyện Thời gian vá lò từ 7÷ 15phút tùy theo dung lượng lò

 Vật liệu vá lò không ảnh hưởng đến thành phần của thép luyện trong lò, vật liệu vá lò hay dùng là bột manhezit, bột đôlômit

 Phương pháp vá lò là bằng tay (vá thủ công) được ứng dụng với các lò nhỏ, hoặc vá lò bằng máy được ứng dụng với các lò lớn

Kỹ thuật chất liệu có ảnh hưởng quyết định đến quá trình nấu chảy, sự cháy hồ quang và tuổi thọ lò Nếu chất liệu tốt thì quá trình nấu chảy sẽ nhanh hồ quang cháy đều và ổn định, năng suất lò tăng, tuổi thọ lò cao Tuỳ theo phương pháp chất liệu mà thời gian chất liệu cũng khác nhau Đối với lò lớn thời gian chất liệu trong khoảng 15÷20phút và lò nhỏ 10÷15phút khi chất liệu bằng máy thì thời gian chất liệu giảm xuống 5÷ 10phút, đặc biệt chất liệu bằng thùng từ trên xuống thì thời gian chất liệu rút ngắn chỉ 3÷ 5phút

 Nguyên tắc chất liệu và thứ tự chất liệu

 Nguyên liệu khó chảy, có kích thước lớn thì chất ở vùng dưới

3 điện cực, vì đấy có nhiệt độ cao nhất (1900 0 ÷2000 0 ) Liệu mỏng, bé, nhẹ dễ chảy, dễ bay hơi thì chất ở vùng hông lò (xa

3 điện cực) Chất như vậy liệu sẽ cháy đều và nhanh, hồ quang cháy mạnh, đều và ổn định tổn thất nhiệt ít

 Người ta chất một lớp liệu nhỏ vụn và vôi xuống đáy lò nhằm mục đích tạo ra một lớp đệm dưới đáy lò, để hạn chế sự va chạm của những cục liệu lớn vào đáy lò khi chất liệu, nhất là khi chất liệu bằng thùng từ trên suống Mặt khác lớp đệm đó sẽ ngăn cản tia hồ quang xuyên sâu xuống đáy lò làm hư hỏng lò

 Phương pháp cho chất liệu vào lò

Có 3 phương pháp chất liệu vào lò hồ quang như sau

Thông số thiết kế cho một lò nhiệt

2.3.1 Yêu cầu công suất điện trong quá trình nấu luyện

Trong thời kỳ này yêu cầu công suất điện đưa vào lò cực đại

Trong đó: P tb là công suất trung bình, P tb = (0,7 ÷ 0,75)P đm Khi mới cho điện vào lò hồ quang cháy trên mặt liệu rắn gần nắp lò Cho nên ở đầu thời kỳ nấu chảy(5 ÷ 10)phút nên dùng công suất nhỏ hơn công suất cực đại, sau khi liệu đã bắt đầu chảy thành 3 hố, mới cho phép tăng dần đến giá trị cực đại Cuối thời kỳ nấu chảy, công suất giảm dần xuống bằng giá trị trung bình

Hình 2.4 Đồ thị công suất hữu công tiêu thụ ở lò hồ quang

Tuỳ theo phương pháp luyện mà chọn công suất cho lò cao hay thấp Nấu luyện có giai đoạn sôi ở đầu thời kỳ oxy hóa cần tạo xỉ nhiều nên yêu cầu công suất điện phải lớn và bằng công suất trung bình Cuối thời kỳ oxy hóa khi đã tạo xỉ xong yêu cầu công suất điện nhỏ hơn công suất trung bình

Trong thời kỳ này nhiệt độ của kim loại, tường và nắp lò đã cao và tương đối ổn định, vì vậy công suất điện không lớn lắm nhưng yêu cầu ổn định nghĩa là công suất nhỏ hơn công suất trung bình

Tuỳ theo phương pháp luyện thép và mác thép mà cần chọn chế độ điện cho lò trong thời kỳ hoàn nguyên

2.3.2 Yêu cầu đối với điện cực

Dòng điện đi vào khoảng không nóng chảy của lò hồ quang theo các điện cực Nhờ điện cực mà điện năng biến thành nhiệt năng nấu chảy kim loại, do đó chất lượng của điện cực và phương pháp dẫn dòng điện đến nó có ý nghĩa lớn Giá thành điện cực chiếm 10% chi phí nấu luyện một tấn thép

Trong lò hồ quang hay dùng 2 loại điện cực: Điện cực than và điện cực grafit

Trong quá trình làm việc điện cực thường bị mòn do bị oxy hóa bởi khí lò và bay hơi do sự cháy của hồ quang do đó điện cực ngắn dần nên cần phải nối điện cực bằng ren.Yêu cầu đối với điện cực:

 Độ dẫn điện và độ bền cơ học phải cao, để giảm tổn thất năng lượng điện và hạn chế sự hư hỏng của điện cực khi làm việc

 Nhiệt độ bắt đầu bị oxy hóa ở không khí phải cao để giảm chi phí điện cực do bị oxy hóa và tăng chất lượng của thép

 Tạp chất có trong điện cực phải ít, nhất là tro và lưu huỳnh

 Giá thành thấp và dễ sản xuất

2.3.3 Yêu cầu và tính chất của hồ quang

 Hồ quang phát ra phải mạnh

 Hồ quang cháy phải bền và liên tục trong quá trình nấu luyện để đảm bảo cháy liệu nhanh, tiết kiệm điện và an toàn thiết bị lò

 Sự gián đọan của hồ quang: Hồ quang có thể sinh ra từ dòng điện một chiều và xoay chiều, nhưng trong lò điện luyện thép hầu hết đều dùng dòng điện xoay chiều Đối vời nguồn xoay chiều do điện áp biến thiên hình sin nên làm cho hồ quang bị gián đoạn.Hồ quang cháy phải bền và liên tục trong quá trình nấu luyện để đảm bảo cháy liệu nhanh, tiết kiệm điện và an toàn thiết bị lò

 Sự thay đổi của hồ quang: Trong quá trình nấu luyện khoảng cách giữa điện cực và bề mặt kim loại luôn thay đổi do đó làm cho hồ quang thay đổi theo

2.3.4 Yêu cầu trang bị điện cho lò hồ quang

Mục đích điều chỉnh hồ quang

Cải thiện điều kiện lao động của công nhân, muốn vậy phải ứng dụng loại máy dịch điện cực có khả năng điều chỉnh tự động hoàn toàn

Tiết kiệm năng lượng điện, tận dụng hết công suất máy biến thế lò Muốn vậy phải sử dụng thiết bị tự động dịch điện cực có độ nhạy cao, thoả mãn với điều kiện kỹ thuật Đảm bảo thời gian nấu luyện nhanh nhất, muốn vậy phải giảm mọi thời gian phụ

Yêu cầu điều chỉnh hồ quang

Các lò hồ quang nấu luyện kim loại đều có các bộ điều chỉnh tự động việc dịch điện cực vì nó cho phép giảm thời gian nấu luyện, nâng cao năng suất lò, giảm suất chi phí năng lượng, giảm thấp cacbon cho kim loại, nâng cao chất lượng thép, giảm dao động công suất khi nấu chảy, cải thiện điều kiện lao động Điều chỉnh công suất lò hồ quang có thể thực hiện thay đổi bằng cách thay đổi điện áp ra của BAL hoặc bằng sự dịch chuyển điên cực để thay đổi chiều dài ngọn lửa hồ quang và như vậy sẽ thay đổi được điện áp hồ quang, dòng điện hồ quang và công suất tác dụng của hồ quang Về nguyên tắc, việc duy trì công suất lò hồ quang có thể thông qua việc duy trì một trong các thông số sau: Dòng điện hồ quang I hq , điện áp hồ quang

U hq , tỉ số giữa điện áp và dòng điện hồ quang, tức là tổng trở về thời kỳ

Bộ điều chỉnh duy trì dòng hồ quang không đổi (I hq là hằng số) sẽ không mồi hồ quang tự động được Ngoài ra, khi dòng điện trong một pha nào đó thay đổi sẽ kéo theo dòng điện trong hai pha còn lại thay đổi Ví dụ : Khi hồ quang trong một pha bị đứt thì hồ quang làm việc như phụ tải một pha với hai pha còn lại nối tiếp vào điện áp dây Lúc đó các bộ điều chỉnh hai pha còn lại sẽ tiến hành hạ điện cực mặc dù không cần việc đó

Các bộ điều chỉnh loại này chỉ dùng cho lò hồ quang một pha và chủ yếu dùng trong lò hồ quang chân không

Bộ điều chỉnh duy trì điện áp hồ quang không đổi (U hq =const) có khó khăn trong việc đo thông số này Thực tế cuộn dây đo được nối giữa dây kim loại của cửa lò và thanh cái thứ cấp BAL, do vậy điện áp đo phụ thuộc vào dòng tải và sự thay đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới hai pha còn lại như đã trình bày đối với bộ điều chỉnh dữ I hq =const

Phương pháp tốt nhất là dùng bộ điều chỉnh duy trì

I hq = const thông qua các hiệu số tín hiệu dòng và áp: a I hq − b U hq = b I hq (Z 0hq − Z hq ) (∗)

Trong đó: a,b là hệ số phụ thuộc hệ số các biến áp đo lường (biến dòng, biến điện áp) và điện trở điều chỉnh trên mạch (thay đổi bằng tay khi chỉnh định) a = b Z 0hq

Z 0hq và Z hq giá trị đặt và giá trị tổng trở của hồ quang.Từ (*) ta có: a I hq − b U hq b I hq = Z 0hq − Z hq = ∆Z hq Như vậy việc điều chỉnh thực hiện theo độ lệch của tổng trở hồ quang so với giá trị đặt (điều chỉnh vi sai) Phương pháp này dễ mồi hồ quang, duy trì được công suất, ít chịu ảnh hưởng của giao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha Mỗi giai đoạn làm việc của lò hồ quang (nấu chảy, oxy hoá, hoàn nguyên) đòi hỏi một công suất nhất định mà công suất này lại phụ thuộc chiều dài ngọn lửa hồ quang Như vậy điều chỉnh dịch điện cực tức là điều chỉnh chiều ngọn lửa hồ quang do đó điều chỉnh được công suất lò hồ quang Đó là nhiệm vụ cơ bản của các bộ điều chỉnh tự động các lò hồ quang và cũng là công việc chính của đồ án này Các yêu cầu chính đề ra cho một bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang này là:

 Đủ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò, duy trì dòng điện hồ quang không tụt quá (4÷5)% trị số dòng điện làm việc Vùng không nhạy của bộ điều chỉnh không quá ±(2÷4)% trong các giai đoạn khác

 Tác động nhanh đảm bảo khử ngắn mạch hay đứt hồ quang, trong thời gian (1,5÷3)giây, điều đó sẽ làm giảm số lần ngắt máy cắt chính quá hai lần trong giai đoạn nấu chảy đảm bảo yêu cầu này nhờ tốc độ dịch điện cực nhanh tới (2,5÷ 3)m/h trong giai đoạn nấu chảy(khi dùng truyền động điện cơ) và (5÷6)m/h khi dùng truyền động thuỷ lực Dòng điện hồ quang càng lệch xa trị số đặt thì tốc độ dịch cực càng phải nhanh, thời gian điều chỉnh ngắn

Phương án cung cấp điện và điều khiển

Trước đây người ta thường dùng loại máy điều chỉnh bằng hơi nước có áp suất cao, bằng dầu Nói chung các loại máy này có cấu tạo phức tạp, chiếm nhiều diện tích trên mặt bằng, độ chính xác không cao Sau đó người ta dùng loại máy điều chỉnh bằng điện, trong đó phổ biến nhất là loại điều chỉnh tự động dùng hệ MĐKĐ - Đ loại này có nhược điểm là cần công suất đặt lớn, gây tiếng ồn, điện cực vẫn còn dao động Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật chất bán dẫn ngày càng được sử dụng phổ biến do đó các hệ cũ được thay bằng các hệ T - Đ

Hệ gồm đối tượng điều chỉnh 6(lò hồ quang )và bộ điều chỉnh visai, bộ điều chỉnh gồm các phần tử cảm biến dòng 1 và áp 1 ' , phần tử so sánh

3, bộ khuếch đại 4, cơ cấu chấp hành 5 và thiết bị đặt 2 Trên phần tử so sánh có 2 tín hiệu từ đối tựng điều chỉnh tới (tương ứng tỷ lệ với dòng và áp hồ quang) và một tín hiệu từ thiết bị đặt tới

Hình 2.5 Sơ đồ chức năng hệ điều chỉnh công suất lò hồ quang

Tín hiệu sai lệch từ phần tử so sánh được khuếch đại qua bộ khếch đại 4 rồi tới cơ cấu chấp hành 5 để dịch cực theo hướng giảm sai lệch Để hoàn thiện đặc tính động của hệ, nâng cao chất lượng điều chỉnh, thường sơ đồ có các phản hồi về tốc độ dịch cực, về tốc độ thay đổi dòng, áp hồ quang Trong sơ đồ cũng có thể có các phần tử chương trình hoá, máy tính….Hệ điều chỉnh có thể dùng MĐKĐ, KĐT, T - Đ

Đánh giá các sơ đồ mạch điều khiển hiện có

2.5.1 Sơ đồ một pha khống chế dịch cực lò HQ dùng hệ MĐKĐ - Đ

Phần mạch lực của hệ thống truyền động gồm có:

 Động cơ một chiều Đ được cung cấp từ máy điện khuyếch đại, cuộn kích từ của động cơ được cấp điện áp một chiều thông qua điện trở 9R mắc song song với tiếp điểm thờng hở mở chậm của rơle thời gian Rth để giảm từ thông trong trường hợp nâng

 Máy điện khuyếch đại sử dụng 3 cuộn dây khống chế trong đó cuộn CĐC1 là cuộn chủ đạo ở chế độ điều khiển tự động; cuộn CĐC2 là cuộn chủ đạo ở chế độ điều khiển bằng tay; cuộn CFA là cuộn phản hồi âm điện áp; hệ số phản hồi điện áp khác nhau đối với trường hợp hạ và nâng Cực tính của điện áp đặt lên động cơ khi hạ(H), nâng (N) được cho trong sơ đồ Do 7R mắc song song với 3CL nên ta có hệ số phản hồi áp khi hạ là H =; khi nâng =0.3

 Ở chế độ điều khiển bằng tay thì điện áp một chiều cấp cho cuộn chủ đạo là CĐC2 lấy từ nguồn một chiều

 Ở chế độ điều khiển tự động thì tín hiệu chủ đạo cấp cho cuộn CĐC1 là hiệu số của tín hiệu tỷ lệ theo dòng và áp của hồ quang, phần tín hiệu tỷ lệ theo dòng đợc tạo nên bởi: mạch vòng MBD

(BD), điện trở 1R, MBA là 1BA, bộ chỉnh lu 1CL và bộ phân áp điện trở 5R Mạch tạo ra tín hiệu tỷ lệ với điện áp hồ quang nhờ điện trở có cấp 2R, bộ chỉnh lưu 2CL và bộ phân áp 4R

*Ở chế độ điều khiển bằng tay

Trong chế độ điều khiển bằng tay có 2 trường hợp nâng và hạ:

 Giả sử bật công tắc điều khiển ở vị trí nâng thì tiếp điểm 1 và 2,

3 và 4 sẽ kín còn các tiếp điểm khác hở, cuộn CĐC2 được cung cấp điện áp với giá trị điện áp có thể điều chỉnh bằng 6R và cực tính dương ở phía con trượt của 6R Lúc này điện áp phát ra của máy điện khuyếch đại có cực tính làm cho động cơ quay theo chiều nâng điện cực, tốc độ nâng phụ thuộc vào vị trí con trượt trên 6R Muốn dừng ta bật công tắc về vị trí dừng, tất cả các công tắc của tiếp điểm hở và động cơ sẽ được hãm

 Giả sử bật công tắc điều khiển về vị trí hạ(H) 9 và 10; 11 và 12 kín dẫn đến cuộn CĐC2 cũng được cấp điện nhưng cực tính của điện áp trên cuộn dây lúc này ngược so với truờng hợp để công tắc ở vị trí nâng dẫn đến máy điện khuyếch đại sẽ phát ra một sức điện động với cực tính ngược lại, động cơ sẽ quay theo chiều hạ điện cực

Trong trường hợp hạ điện cực thì do hệ số phản hồi âm điện áp tăng lên tốc độ hạ sẽ nhỏ hơn tốc độ nâng khi cùng một giá trị điện áp đặt lên cuôn CĐC2

Hình 2.6 Sơ đồ 1 pha khống chế dịch cực lò dùng hệ MĐKĐ - Đ

* Ở chế độ điều khiển tự động

Bật công tắc điều khiển ở vị trí tự động thì tiếp điểm 5 và 6, 7 và 8 kín đồng thời cắt cầu dao 1, đóng cầu dao 2 thì trên 5R và 4R sẽ có các điện áp một chiều tỷ lệ với dòng hồ quang và áp hồ quang, hiệu số 2 điện áp này sẽ đặt lên cuộn CĐC1 và khống chế MĐKĐ điều khiển quá trình nâng hạ điện cực tự động ở chế độ khống chế tự động ta xét một số quá trình như sau:

 Khi làm việc bình thường: Giả sử lò đang làm việc có phần điện áp lấy trên các phân áp 4R và 5R trên 4R ký hiệu là aU hq , trên 5R ký hiệu là bI hq

Trong đó a, b là các hằng số có thể điều chỉnh được bằng các biến trở

Ta quy ước chiều quay của động cơ khi hạ điện cực là chiều quay dương tức là chiều quay thuận và lúc này tương ứng điện áp trên cuộn CĐC1 cũng dương thì chiều quy ước của điện áp trên CĐC1 (Ucđ) : Điện áp chủ đạo như hình vẽ

U cđ = aU hq − bI hq

Nếu U cđ = 0 thì sức từ động của cuộn chủ đạo CĐC1 bằng 0 và động cơ không quay Điện cực sẽ không dịch chuyển, khoảng cách giữa điện cực và bề mặt kim loại trong trường hợp này bằng khoảng cách đặt và giá trị của điện áp hồ quang cũng như dòng điện hồ quang, trong trường hợp này cũng được gọi là giá trị đặt: U hq0 và I hq0 Ta có: aU hq0 = bI hqo ⟹ Z hq0 =U hq0

Thông thường khi làm việc điện cực sẽ mòn dần dẫn đến khoảng cách giữa điện cực và kim loại sẽ tăng dần lên, dòng điện hồ quang sẽ giảm và điện áp hồ quang sẽ tăng (tổng trở hồ quang tăng) Lúc đó: aU hq > aU hq0 và bI hq < bI hq0 ⟹ U cđ dương xuất hiện sức điện động của máy điện khuyếch đại làm cho động cơ quay để hạ điện cực Nếu sai lệch càng lớn thì giá trị của điện áp đặt lên cuộn CĐC1 càng lớn thì tốc độ dịch chuyển điện cực càng cao Ngược lại khi khoảng cách giữa điện cực và kim loại giảm xuống bằng giá trị đặt thì U cđ = 0 và động cơ sẽ ngừng quay Nếu điện cực quá gần bề mặt kim loại thì Ucđ sẽ âm động cơ sẽ làm việc sẽ theo chiều nâng điện cực để tự động duy trì khoảng cách giữa điện cực và bề mặt kim loại(tức là duy trì chiều dài hồ quang hay tổng trở hồ quang)

 Quá trình mồi hồ quang khi khởi động:

Giả thiết trước khi làm việc điện cực không tiếp xúc với kim loại trong lò, để khởi động sơ đồ ta đóng nguồn cung cấp cho mạch chính của lò cắt 1CĐ và đóng 2CĐ đặt chế độ làm việc (xác định giá trị a và b bằng 1R, 2R, 4R và 5R) Khởi động động cơ sơ cấp kéo máy điện khuyếch đại và đóng các nguồn cung cấp cho mạch kích từ động cơ Muốn khởi động lò và cho làm việc ở chế độ khống chế tự động ta bật công tắc điều khiển về vị trí tự động Lúc này do I hq = 0 nên U hq đạt giá trị lớn nhất dẫn đếnU cđ đạt giá trị lớn nhất và dương, động cơ sẽ quay với tốc độ tơng đối lớn Để thực hiện việc hạ điện cực khi điện cực chạm vào kim loại thì xảy ra ngắn mạch, dòng điện hồ quang sẽ tăng lên và điện áp sẽ hồ quang sẽ giảm xuống xấp xỉ bằng 0; điện áp chủ đạo đổi chiều và có giá trị lớn làm cho động cơ đổi chiều quay với gia tốc lớn Tách nhanh điện cực ra khỏi kim loại làm xuất hiện hồ quang ở giai đoạn đầu khi dòng điện còn lớn thì rơle dòng điện RD tác động làm ngắn mạch điện trở 3R nên dòng điện qua cuộn CĐC1 càng lớn, mặt khác phản hồi âm điện áp có hệ số phản hồi nhỏ càng làm tăng sức điện động của máy điện khuyếch đại dẫn đến tốc độ nâng sẽ càng lớn Khi khoảng cách giữa điện cực tăng dần thì U hq tăng và

I hq giảm ⟹ U cđ giảm Khi dòng hồ quang giảm đến một giá trị nào đó thì

RD tác động, điện trở 3R sẽ mắc nối tiếp với cuộn dây CĐC1 Cả hai điều trên đều có tác dụng làm giảm sức điện động của máy điện khuyếch đại dẫn đến làm giảm của máy điện khuyếch đại dẫn đến làm giảm tốc độ nâng để tránh làm mất hồ quang và khi khoảng cách giữa điện cực với kim loại bằng khoảng cách đặt thì hệ thống sẽ làm việc tương tự như bình thuờng ở chế độ đặt đã nêu

 Loại trừ nhanh chế độ ngắn mạch dòng điện và tự động mồi lại hồ quang khi đứt hồ quang Điều chỉnh công suất Để điều chỉnh công suất thì thay đổi a hoặc b

Z hq0 = b a là giá trị đặt Điều chỉnh thô: Điều chỉnh ở 2R nhờ 1K, 2K Điều chỉnh trơn: Điều chỉnh ở 4R, 5R

(1R dùng để chỉnh định ban đầu không điều chỉnh khi điều chỉnh công suất lò)

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN DỊCH CỰC LÒ HỒ

Chọn công suất biến thế lò

Để chuyển năng lượng từ điện thế cao sang điện thế làm việc người ta dùng biến thế lò Máy biến thế của lò làm việc trong điều kiện rất nặng nề nên nó có đặc điểm sau:

 Công suất thường rất lớn (có thể tới hàng chục MW) và dòng điện thứ cấp rất lớn (tới hàng trăm KA)

 Điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới (2,5 ÷

 Có độ bền cơ học cao để chịu được các lực điện từ phát sinh trong các cuộn dây, thanh dẫn khi có ngắn mạch

 Có khả năng điều chỉnh điện áp sơ cấp dưới tải trong một giới hạn rộng

 Có khả năng quá tải

 Phải làm mát tốt vì dòng rất lớn, hay xảy ra ngắn mạch, biến thế đặt ở nơi kín ở gần lò

Công suất biến thế lò có thể xác định gần đúng từ điều kiện nhiệt trong giai đoạn nấu chảy và ở các giai đoạn khác, lò đòi hỏi công suất tiêu thụ ít hơn

Nếu coi rằng trong giai đoạn nấu chảy, tổn thất năng lượng nấu chảy trong lò hồ quang, trong biến thế lò và cuộn kháng L được bù trừ bởi năng lượng của phản ứng toả nhiệt thì công suất biến thế lò có thể xác định bởi biểu thức sau:

T nc K sd cosφ(KVA) Trong đó:

T nc là thời gian nấu chảy ( giờ)

K sd là hệ số sử dụng công suất biến thế lò trong giai đoạn nấu chảy cosφ là hệ số công suất của thiết bị lò hồ quang

W = w G là năng lượng hữu ích và tổn hao nhiệt trong thời kỳ nấu chảy và dừng lò giữa 2 mẻ nấu (KWh)

G là khối lượng kim loại nấu (T) w là suất chi phí điện năng để nấu chảy (KWh/T), suất chi phí điện năng giảm đối với lò có dung lượng lớn, thường w = (400 ÷ 600KWh/T)

Thời gian nấu chảy được tính từ lúc cho lò làm việc sau khi chất liệu cho đến khi kết thúc việc nấu chảy Thường thì thời gian này từ (1÷ 3)h tuỳ theo dung lượng của lò

Hệ số sử dụng công suất biến thế lò thường là 0,8 ÷ 0,9 gây ra do sử dụng không đầy đủ công suất biến thế lò, do biến động các thông số của lò, do hệ số tự động điều chỉnh không hoàn hảo, do không đối xứng giữa 3 pha Hiện nay công suất biến thế lò ngày càng tăng vì nó cho phép giảm thời gian nấu chảy, giảm suất chi phí do hạ tổn hao nhiệt Năng suất của lò phụ thuộc vào dung lượng biến thế lò, giá trị công suất danh nghĩa (dung lượng biến thế ) lò của lò điện hồ quang theo OCT 7206-54 như sau:

Dung lượng định mức của lò (T): 0,5; 1,5; 3; 5; 10; 20; 40

Công suất danh nghĩa biến thế(KVA): 400; 100; 1800; 2800; 5000; 9000; 15000

Cuận thứ cấp biến thế lò thường được nối tam giác vì dòng ngắn mạch được phân ra 2 pha và như vậy điều kiện làm việc của các cuộn dây sẽ nhẹ hơn Biến thế lò thường phải làm việc trong tình trạng ngắn mạch và phải có khả năng quá tải nên thường chế tạo to, nặng hơn các máy biến thế động lực cùng công suất.

Thiết kế mạch đo lường

Như ta đã biết chất lượng thép nấu luyện phụ thuộc vào công suất cấp cho lò và sự phân bố nhiệt độ trong nồi lò Điều chỉnh công suất lò hồ quang có thể bằng cách thay đổi điện áp ra của máy biến áp lò hoặc bằng sự dịch chuyển điện cực để thay đổi chiều dài của ngọn lửa hồ quang và như vậy sẽ thay đổi được điện áp hồ quang, dòng hồ quang và công suất tác dụng của hồ quang

Về nguyên tắc để duy trì công suất lò có thể thông qua việc duy trì một biến trong các thông số : I hq , U hq , Z hq Tuy nhiên I hq không đổi sẽ không mồi hồ quang tự động được Ngoài ra, khi dòng điện trong một pha nào đó thay đổi sẽ kéo theo dòng điện trong hai pha còn lại thay đổi Khi

U hq không đổi thì nó sẽ khó khăn trong việc đo thông số này Thực tế cuộn dây đo được nối giữa dây kim loại của cửa lò và thanh cái thứ cấp BAL, do vậy điện áp đo phụ thuộc vào dòng tải và sự thay đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới hai pha còn lại Vì vậy, phương pháp tốt nhất là dùng bộ điều chỉnh duy trì Z hq = U hq

I hq = const Như vậy việc điều chỉnh tổng trở hồ quang sẽ dễ mồi hồ quang, duy trì được công suất, ít chịu ảnh hưởng của giao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha Để duy trì được Z hq = const thì ta phải có các khâu đo dòng điện và điện áp hồ quang Khi dòng hồ quang thay đổi thì điện áp hồ quang cũng thay đổi theo Tín hiệu đầu ra của khâu đo dòng và áp hồ quang đưa vào bộ tổng hợp và khuếch đại cũng thay đổi do đó điện áp Udk ở đầu ra của bộ này cũng thay đổi tín hiệu Udk này có nhiệm vụ điều khiển điện áp để động cơ quay nâng hay hạ điện cực nhằm mục đích duy trì Z hq = const

Khi công suất hồ quang thay đổi nhiều thì khâu đo dòng và áp hồ quang phải đưa ra sai lệch lớn để duy trì lại công suất hồ quang trong thời gian ngắn nhất

Trên cơ sở đó ta đưa ra mạch đo dòng và áp hồ quang như sau:

3.2.1 Khâu đo dòng điện hồ quang

Trong quá trình nấu luyện thì dòng điện hồ quang là rất lớn do đó để dòng điện hồ quang phù hợp với các thiết bị thì ta lấy tín hiệu qua máy biến dòng

Tín hiệu dòng hồ quang thu được phản ánh đúng giá trị dòng hồ quang thực

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của khâu đo dòng hồ quang

Một thay đổi nhỏ của I hq cũng có thể nhận biết đựơc Ta sử dụng mạch chỉnh lưu dùng khuếch đại thuật toán Đầu vào của A8 , A9 có điện áp tỉ lệ với dòng hồ quang

R 38 = −β I hq Khi U 1 < 0 ⟹ D13 khóa, D14 thông ⟹ U raA8 = (−R 36 /

R 35 R 37 − 1) U 1 = −βI hq < 0 Để U raA9 luôn < 0 thì (R 36 R 38

Và để trị số của βI hq khi U 1 > 0và U 1 bằng nhau thì R 36 R 38

3.2.2 Khâu đo điện áp hồ quang

Cũng giống như đo dòng điện hồ quang tín hiệu điện áp hồ quang đo được cũng phải đúng với tín hiệu điện áp hồ quang thực tế và khi có một sai lệch nhỏ của điện áp hồ quang thực thì đầu ra của khâu đo điện áp hồ quang phải có tín hiệu ra để đưa đến điều khiển điện cực một cách kịp thời Để đáp ứng được yêu cầu này khâu đo điện áp hồ quang ta cũng dùng các KĐTT

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của khâu đo điện áp hồ quang

Sơ đồ nguyên lý của khâu đo điện áp hồ quang

A10 , A11 đóng vai trò như một cầu chỉnh lưu

Khi U v < 0 thì D15 thông D16 khoá suy ra U raA10 = 0

Tương tự như ở mạch đo dòng điện ta chọn các giá trị điện trở sao cho αU hq luôn > 0

3.2.3 Thiết kế khâu không nhạy

Khâu không nhạy có nhiệm vụ hạn chế việc dịnh cực khi không cần thiết Để đảm bảo cho hệ thống chỉ làm việc khi có những sai lệch vượt quá giá trị cho phép khâu này có nhiệm vụ tổng hợp tín hiệu đầu vào là dòng điện và áp hồ quang và so sánh với một giá trị đặt trước

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khâu không nhạy

Khi |αU hq − βI hq | < |U đ | tức là sai lệch của dòng và áp hồ quang vẫn trong giới hạn cho phép thì đầu ra của A 12 và A 13 không có tín hiệu ra nên điện cực đứng yên

Khi |αU hq − βI hq | > +U đ tức là khi đó U hq giảm I hq tăng thì đầu ra của A 13 = 0 còn đầu ra của A 12 có tín hiệu ra gửi tới mạch tổng hợp và khuếch đại tín hiệu để đưa ra tín hiệu điều khiển nâng điện cực lên để tăng

Khi |αU hq − βI hq | > −U đ tức là khi đó U hq tăng I hq giảm thì đầu ra của A 13 có tín hiệu gửi tới mạch tổng hợp và khuếch đại tín hiệu để đưa ra tín hiệu điều khiển hạ điện cực xuống để giảm U hq và tăng I hq

3.2.4 Thiết kế khâu đặt công suất cho lò hồ quang

Trong quá trình nấu luyện kim loại ứng với mỗi giai đoạn cần có một công suất lò khác nhau, vì vậy ta phải có khâu đặt công suất lò để điều chỉnh được công suất lò hồ quang Khâu đặt công suất có nhiệm vụ thay

49 đổi điện áp đầu ra tỉ lệ với điện áp đặt (U đ ) ở đầu vào Điện áp này thay đổi sẽ làm cho công suất lò thay đổi theo

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khâu đặt công suất cho lò hồ quang

Khi đang làm việc ổn định ở công suất đặt nào đó ta có

|−αU hq − βI hq | = U đ1 nên đầu ra của A14 không có tín hiệu, điện cực đứng yên

Khi ta giảm công suất đặt U đ2 < U đ1 tức là |−αU hq − βI hq | > U đ2

(do điện cực chưa nâng kịp) nên đầu ra của A14 có điện áp ra >0, tín hiệu này được đưa vào khâu tổng hợp khuếch đại cho ra tín hiệu điều khiển có xu hướng nâng điện cực lên do đó làm giảm |−αU hq − βI hq | để cho

|−αU hq − βI hq | = U đ2 thì điện cực đứng yên, lúc này công suất lò ổn định ở giá trị mới tương ứng

Quá trình giảm công suất đặt hoàn toàn tương tự.

Chọn phương pháp đảo chiều động cơ

Như đã phân tích ở trên ta chọn hệ thống T-Đ làm hệ truyền động cho hệ thống dịch cực, do yêu cầu của công nghệ hệ thống dịch cực phải chạy theo cả hai chiều nâng và hạ điện cực nên ta phải thực hiện đảo chiều quay của động cơ Để thực hiện công việc này ta sử dụng phương pháp đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ Để đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ có nhiều phương pháp như : thực hiện bằng công tắc tơ, dùng hệ máy phát động cơ,dùng hai bộ biến đổi mắc song song ngược …

Trong đó thực hiện bằng hai bộ biến đổi mắc song song ngược có nhiều ưu điểm như: tính linh hoạt cao, thích hợp cho những tải có tần số đảo chiều lớn, thực hiện khống chế, phản hồi tự động hóa dễ dàng Hiện nay, các Thyristor có công suất lớn nên phương pháp này có thể dùng cho các động cơ có công suất cao

Vậy ta chọn phương pháp đảo chiều dùng 2 BBĐ mắc song song ngược Ưu điểm của phưong pháp này là rẻ tiền, đơn giản, làm việc với độ tin cậy cao, mạch điều khiển gọn nhẹ, đảo chiều nhanh chóng, dễ dàng

Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ :

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều động cơ

Sơ đồ bộ biến đổi có đảo chiều sử dụng chỉnh lưu có thể là hình cầu

1 pha, 3pha hoặc tia 3 pha Trong mỗi sơ đồ có một bộ chỉnh lưu thuận và ngược

Khi làm việc thì mỗi bộ chỉnh lưu và động cơ sẽ tương đương với một hệ T- Đ

Nguyên tắc thực hiện phương pháp này như sau:

Khi BBĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì động cơ quay thuận, muốn đảo chiều quay động cơ thì ta cho BBĐ1 ngừng làm việc và đưa xung tới bbd1 bbd2 ck d

51 mở BBĐ2 như vậy động cơ được cấp điện áp theo chiều ngược lại và động cơ quay theo chiều ngược lại

3.3.1 Phân tích chọn phương pháp điền khiển hai BBĐ mắc song song ngược Để điều khiển 2 BBĐ mắc song song ngược có hai phương pháp cơ bản sau: a Phương pháp điều khiển chung

Khi động cơ quay thuận để loại trừ tổ van BBĐ2 thì ta tiến hành phát xung mở BBĐ2 với góc α > 90 0 Trong lúc đó tổ van BBĐ1 có α 1 < 90 0 Mở van BBĐ2 sao cho |E b2 | > |E b1 | Lúc này BBD2 làm việc ở chế độ nghịch lưu đợi

Hình 3.7 Sơ đồ mạch điều khiển chung

Dòng cân bằng chay giữa 2 tổ van là:

R b1 + R b2 = 0 Suy ra: α 1 + α 2 = π Đây là phương pháp điều khiển chung tuyến tính

Nếu α 1 + α 2 = π + ε với ε < 5 0 bbd1 bbd2 ck d

52 Đây là phương pháp điều khiển chung phi tuyến

Ta thấy rằng mặc dù I cb = 0 nhưng tại thời điểm tức thời thì e bnl ≠ e bcl

Vì vậy với phương pháp này thì hệ thống cần phải được đưa thêm cuộn kháng cân băng giữa hai tổ van để hạn chế biên độ dòng cân bằng xuống giá trị cho phép (không được vượt quá 10% dòng tải định mức theo tính toán)

Phương pháp này có ưu điểm: đảo chiều nhanh, quan hệ giữa điện áp trung bình và U đk là đơn trị Song nhược điểm của nó là: làm phát sinh dòng cân bằng gây tổn thất trong BBĐ dẫn đến phải tăng công suất tính toán của các phần tử Tuy nhiên điêu này có thể khắc phục bằng cách mắc thêm cuộn kháng cân bằng b Phương án điều khiển riêng

Hệ thống điều tốc đảo chiều điều khiển độc lập được dùng rộng rãi nhất trong sản xuất hiện nay với nguyên tắc như sau:

Nguyên tắc là để loại trừ tổ van nào thì ta ngừng việc đưa xung đến tổ van đó Hai tổ van làm việc độc lập nhau dòng cân bằng I cb 0, nên không cần cuộn kháng Tuy nhiên để đảm bảo an toàn cho hệ thống khi đảo chiều thì khi chuyển từ trạng thái của bộ van này sang bộ van kia cần phải có một khoảng thời gian trễ τ để đảm bảo rằng dòng qua tổ van đang làm việc giảm về không rồi mới cho tổ van kia làm việc nên ta phải sử dụng mạch logic để tạo một thời gian trễ

Qua việc phân tích ở trên, ta thấy dù phương pháp điều khiển độc lập có đặc tính đảo chiều không tốt bằng điều khiển chung nhưng nó lại

53 không xuất hiện dòng cân bằng nên không gây tiêu tốn năng lượng vô ích nên ta chọn phương pháp này

Có nhiều BBĐ đáp ứng được yêu cầu của đề tài nhưng ta chỉ phân tích 2 BBĐ có chất lượng điện áp tốt nhất là tia 3 pha và cầu 3 pha a Bộ biến đổi mắc theo sơ đồ tia 3 pha điều khiển hoàn toàn (3 Thyrisror)

Trong sơ đồ gồm có 2 bộ chỉnh lưu, bộ thuận gồm các Thyristor nối katôt chung còn bộ nghịch gồm các Thyristor nối anôt chung khi một bộ làm việc trong chế độ chỉnh lưu thì bộ kia nghỉ Khi làm việc cấp điện cho phụ tải thì 2 BBĐ có nguyên lý như nhau vì vậy ta chỉ xét một bộ mà thôi

Giả thiết Ld =, cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng  và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm việc xác lập trớc thời điểm bắt đầu xét (t = 0)

Ta tạm giả thiết rằng: trước thời điểm t = v 1 = thì trong sơ đồ van T 3 đang dẫn dòng và các van khác còn ở trạng thái khoá, khi đó trên van T 1 sẽ có điện áp thuận (vì u T1 = u a − u c = u ac , và tại t v 1 = thì u ac > 0 nên u T1 > 0 )

Tại t = v 1 =  thì T 1 có tín hiệu điều khiển, T 1 có đủ hai điều kiện để mở nên T 1 mở và u T1 giảm về bằng không Do u T1 = 0 nên u d = u a , và từ sơ đồ ta xác định được điện áp trên T 3 là : u T1 = u c − u a = u ac , tại v 1 thì u ac < 0, tức là T 3 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại, van T 2 thì vẫn khoá, do vậy trong khoảng tiếp sau v 1 trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng, khi T 1 dẫn dòng:

Hình 3.8 Sơ đồ tia 3 pha điều khiển hoàn toàn Đến t = 5/6 thì u a = u b , đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T 2 , nhưng T 2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển,do u a vẫn dương kết hợp với tác dụng cùng chiều của suất điện động tự cảm trong L d mà T 1 vẫn tiếp tục dẫn dòng Đến t =  thì u a = 0 và sau đó chuyển sang âm nhng T 2 còn chưa mở nên T 1 vẫn tiếp tục làm việc nhờ suất điện động tự cảm của L d

Thiết kế mạch điều khiển

Hình 3.12 Sơ đồ khối mạch điều khiển

Hình 3.13 Nguồn nuôi cho mạch điều khiển

Sơ đồ tạo ra nguồn điện áp một chiều đối xứng 15 V cung cấp cho mạch điều khiển bằng cách sử dụng các IC ổn áp 7815 và 7915

Biến áp đầu vào mạch là để tạo ra cấp điện áp phù hợp cho mạch chỉnh lưu

3.4.1 Đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa c 5 c 6 c 3 cl2 cl1 c 4

62 Điện áp đồng bộ được lấy từ biến áp đồng bộ, đồng pha với điện áp đặt lên các thiristor ở mỗi pha tương ứng Do đặc điểm của bộ chỉnh lưu tia 3 pha là nếu như một pha nào đó đang dẫn dòng (giả sử là van pha A)

Nếu như bây giờ ta phát xung điều khiển mở thiristor của pha B, và điện áp đặt lên van ở pha B vẫn còn nhỏ hơn pha A thì nó vẫn không thể mở được Thời điểm kể từ khi điện áp đặt lên van sắp đẫn bắt đầu lớn hơn điện áp pha đang dẫn là 30 0 Vì vậy nếu pha B trong khoảng nhỏ hơn 30 0 mà có xung điều khiển thì nó cũng không thể mở được Để tạo cho van mở tức thời khi nhận xung điều khiển thì ta phải dịch gốc toạ độ đi 30 0 (hay làm dịch pha điện áp đồng bộ đi 30 0 ) Ta thực hiện điều này nhờ máy biến áp đồng bộ 3 pha với cách nối dây ∆/Y

Hình 3.14 Sơ đồ đấy dây ∆/𝑌

Ta dùng sơ đồ mạch phát xung răng cưa dùng vi mạch khuếch đại thuật toán

Nguyên lý làm việc Ở sơ đồ này ta sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán A1 ghép với tụ C1 thành một mạch tích phân, điện áp răng cưa chính là điện áp trên tụ

Giai đoạn từ 0 ÷ ωt 1 thì điện áp đồng bộ U đb nhỏ hơn điện áp trên

R2(Ur2), Ur2 là điện áp do nguồn cung cấp U cc định thiên Khi này Tr1 được phân cực thuận U be > 0, suy ra Tr1 mở, giả sử trước đó mạch đang làm việc nên tụ sẽ được phóng điện đến khi Uc1 = 0

Giai đoạn từ ωt 1 ÷ ωt′ 1 , ở giai đoạn này điện áp đồng bộ U đb lớn hơn điện áp trên R2 (U đb > Ur2) làm cho Tr1 bị phân cực ngược nên Tr1

63 khoá lại, và lúc này tụ C1 được nạp với dòng không đổi từ đầu ra của IC khuếch đại thuật toán A1 Đường nạp của tụ như sau: từ đầu ra khuếch đại thuật toán→C1→ R 3 → WR 1 → −U cc s

Hình 3.15.Sơ đồ nguyên lý mạch đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa

Giai đoạn từ ωt′′ 1 ÷ ωt 2 giai đoạn này U đb < Ur2 dẫn đến Tr1 được phân cực thuận, U be > 0 làm cho Tr1 mở và tụ C1 được phóng địên nhanh qua Tr1 đến khi điện áp trên tụ bằng không trước thời điểm ωt 2 , đường phóng của tụ như sau: +C 1 → Tr 1 → −C 1 và Tr 1 vẫn mở đến thời điểm ωt 2 thì khóa lại

Giai đoạn từ ωt 2 ÷ ωt′′ 2 cũng giống như giai đoạn ωt 1 ÷ ωt′ 1 , và cứ như vậy mạch tạo ra được điện áp răng cưa mà ta mong muốn r3

Hình 3.16 Giản đồ điện áp mạch phát sóng răng cưa

3.4.2 Mạch so sánh Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa và điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung ta sử dụng các mạch so sánh Ta sử dụng mạch so sánh dùng khuếch đại thuật toán bằng vi điện tử

Giai đoạn từ 0 ÷ ωt 1 trong giai đoạn này |U rc | < |U đk |suy ra điện áp đặt vào đầu đảo OA mang giá trị âm dẫn đến đầu ra của OA cho xung dương Đến thời điểm U rc = U đk khi đó tín hiệu đặt vào A2 bằng không làm cho đầu ra mất xung đây cũng là thời điểm mất xung dương

Giai đoạn từ t 1 ÷ t′ 1 có |U rc | > |U đk | thì tín hiệu điện áp đưa vào mang giá trị dương đầu ra A2 cho ra xung âm, đến thời điểm t′′ 1 thì |U rc | |U đk | tín hiệu vào bằng không dẫn đến đầu ra A 2 cũng bằng không và đây là thời điểm mất xung âm và bắt đầu xuất hiện xung dương

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh r 4 r 5

Hình 3.18 Giản đồ điện áp mạch so sánh

Giai đoạn t′ 1 ÷ t 2 ta có |U rc | < |U đk | tín hiệu điện áp đặt vào đầu đảo mang giá trị âm làm cho đầu ra A2 cho xung dương.Tại ωt′′ 1 là thời điểm tạo ra sườn sau của xung âm và cũng là thời điểm tạo ra sườn trước của xung dương Đến t2 thì |U rc | = |U đk | tín hiệu vào bằng không suy ra tín hiệu ra bằng không, nghĩa là tại t2 thì mất xung dương và lại bắt đầu tiếp tục như tại thời điểm t1 và tương tự ở các chu kỳ khác Tại đầu ra của

A2 ta được một dãy xung mong muốn

Từ nguyên lý hoạt động cúa khâu so sánh ta thấy khi thay đổi giá trị của U đk thì độ dài xung đầu ra của khâu so sánh sẽ thay đổi Như vậy sẽ xuất hiện tình trạng một số trường hợp độ dài xung quá ngắn không đủ để mở các Thyristor và ngược lại một số trường hợp lại quá dài làm cho các Tranzitor khuếch đại xung làm việc ở chế độ dòng cực góp lớn khi điện áp cực góp cao (khi máy biến áp xung đã bão hòa) gây nên tổn thất lớn trong mạch phát xung và làm tăng kích thước mạch phát xung Để khắc phục nhược điểm này ta đưa vào hệ thống điều khiển một mạch điện có tác dụng thay đổi lại độ dài xung cho phù hợp với yêu cầu và được gọi là mạch sửa xung

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung

Hình 3.20 Giản đồ điện áp mạch sửa xung

Giai đoạn từ 0 ÷ t1 tụ C phóng và nạp với sườn dương và có cực tính như hình vẽ Đến tại thời điểm ωt 1 mất xung dương và chuyển sang xung âm khi đó tụ được phóng điện từ +C2 → A2 →D2 → −C 2 Do D2 dẫn dòng hay nói cách khác Tr2 bị phân cực ngược (U be = −U D ) làm cho Tr2 khoá lại và xuất hiện xung đầu ra Đến khi tụ phóng hết điện ở trước thời điểm t1 và tiếp tục nạp với cực tính ngược lại Khi tụ phóng hết điện thì Tr2 cũng mở luôn làm mất xung đầu ra r 6 c 2 d 2

Giai đoạn từ t1 ,÷ t2 thì tụ được nạp với cực tính ngược lại: +Ucc →

R7 → A2 → − Ucc và được nạp đầy, giữ nguyên giá trị đó trong thời gian tồn tại xung âm Đến thời điểm mất xung âm và chuyển sang xung dương thì tụ được phóng hết điện và được nạp đđường phóng của tụ từ +C2 →Tr2

→ A2 → −C2 và đường nạp từ A2 →C 2→Tr2 (Tr2 vẫn mở do R định thiên)

3.4.4 Mạch khuyếch đại xung Để đảm bảo công suất xung mở các Thyristor ta dùng thêm khâu khuếch đại xung Mạch khuếch đại xung bao gồm các Tr3 và Tr4, máy biến áp xung cùng với các diôt D3 và D4 và điện trở R 9 hai tranzitor Tr3 và Tr4 ghép nối như vậy tương tự như một tranzitor (hay còn gọi là hai Tranzitor ghép kiểu Darlintơn)

Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại xung

Nó có hệ số khuếch đại dòng điện theo sơ đồ phát chung là β bằng tích hệ số khuếch đại dòng của hai tranzitor thành phần β = β 3 β 4 với: β 3 ,β 4 là hệ số khuếch đại dòng điện theo sơ đồ cực phát chung của Tr3và

Tr4 Trong sơ đồ nguồn +15(V), diôt D3 , D4 có tác dụng bảo vệ hai Tranzitor, diôt D5 có tác dụng truyền xung dương đến mở tiristor Điện áp

Thiết kế khâu đặt bảo vệ

Trong đó quá trình nấu luyện kim thường xảy ra sụt liệu, ăn mòn điện cực điều này gây ra hiện tượng ngắn mạch sự cố và mất pha Lúc này các thiếy bị bảo vệ phải tác động để loại trừ nhanh sự cố Tín hiệu kiểm tra để ngắn mạch sự cố và mất pha là điện áp hồ quang và dòng điện hồ quang

3.5.1.Thiết kế khâu bảo vệ ngắn mạch sự cố

Khi xảy ra ngắn mạch sự cố thì yêu cầu hệ thống phải tác động nhanh nâng điện cực lên r29 r28 r27 ucc a6 wr4 ft d

-u dk d10 a5 wr3 +ucc c5 a4 u ng r25 r24 wr2 r26 Tõ BI

Hình 3.27 Sơ đồ mạch bảo vệ ngắn mạch sự cố

Khi xảy ra ngắn mạch sự cố thì dòng hồ quang rất lớn so với giá trị dòng ngưỡng Ta sử dụng tín hiệu dòng hồ quang làm tín hiệu đầu vào của khâu bảo vệ để báo hiệu có tín hiệu ngắn mạch xảy ra Tín hiệu ra của khâu bảo vệ phải có tác dụng nâng nhanh điện cực lên Trong khâu có sử dụng thời gian trễ(nếu có sự ngắn mạch lớn hơn 3s thì thì mới có tín hiệu đầu ra )

Khi làm việc bình thường thì U ng > βI hq suy ra đầu ra A15 < 0 nên

D21 bị khoá và đầu ra ADN có mức 0 (không có tín hiệu)

Khi xảy ra ngắn mạch sự cố thì U ng < βI hq suy ra đầu ra A15 > 0 nên đầu D21 có mức 1 đưa đến đầu một đầu vào của ADN trong khi tụ C5 được nạp qua Tr15 khi đó đầu còn lại của AND có mức lôgic ‘0’ thì không có tín hiệu đầu ra AND Sau khi tụ nạp đầy thì Tr15 khoá lúc này một đầu vào đang ở mức 0 chuyển lên mức 1 thì sẽ có tín hiệu đưa đến THKĐ để nâng nhanh điện cực lên Khi sự cố được loại trừ lúc đó đầu ra của A15 < 0 thì đầu ra của phần tử đảo NOT ở mức 1 tụ C5 được phóng điện qua Tr14 và chuẩn bị cho qua quá trình làm việc tiếp theo c5 r63 not r65 r59 d21

-  i hq tr15 r64 and r62 tr10 d22 r61+U CC

3.5.2 Thiết kế mạch bảo vệ mất pha

Khi mất pha thì dòng điện hồ quang của pha đó bằng 0 còn điện áp khi đó là cực đại Để kiểm tra hệ thống có xảy ra hiện tượng mất pha hay không thì tín hiệu đầu vào của mạch bảo vệ mất pha là tín hiệu dòng hồ quang Vì sự cố mất pha không nghiêm trọng lắm nên trong mạch bảo vệ có thời gian trễ tương đối lớn và tín hiệu ở đầu ra của mạch bảo vệ sự cố mất pha được đưa tới cuộn cắt của máy cắt

Hình 3.28 Sơ đồ mạch bảo vệ mất pha

Khi làm việc bình thường các đầu vào NAND1(N1) có mức lôgic ‘1’ nên đầu ra cửa nó có mức lôgic ‘0’ do đó không có tín hiệu cho máy cắt

Khi có sự cố mất pha thì một tín hiệu đầu vào của NAND1 có tín hiệu lôgic ‘0’ thì tín hiệu ra có mức ‘1’ nên D23 mở và có hiệu mức ‘1’ đưa đến một đầu vào của AND trong khi tụ C7 được nạp qua Tr17, đầu vào còn laị của AND có mức ‘0’ nên không có tín hiệu để khử đầu ra AND Sau khi tụ C7 được nạp đầy thì Tr17 khoá lại nên một đầu vào đang ở mức ‘0’ chuyển lên mức 1 và lúc này hai đầu vào của AND đều có mức ‘1’ nên đầu ra của nó cũng có mức 1 và lúc này có tín hiệu đưa tới MC cắt mạch động lực, hệ thống ngừng làm việc Khi giải trừ xong sự cố thì ngay lúc này đầu

76 của NAND1 có mức ‘0’, đầu vào của Tr16 có mức ‘1’ và nó mở ra cho tụ

C7 phóng nhanh qua TR16 và chuẩn bị cho quá trình tiếp theo.

Tính chọn thiết bị lò

3.6.1 Chọn máy biến áp lò

Căn cứ vào yêu cầu công nghệ ta trang bị điện cho lò có dung lượng

Công suất của biến thế lò:

3.6.2 Chọn thiết bị đóng cắt Điều kiện chọ máy cắt là: UđmMC  Uđm mạng

Ilvmax là dòng lớn nhất chạy qua máy cắt Dòng lớn nhất chạy qua máy cắt khi máy biến áp lò làm việc với công suất cực đại suy ra Ilvmax = Iđm max = 500A vậy UđmMC  6 kv

IđmMC  500 A Tra bảng 5.18 SỔ TAY LỰA CHỌN VÀ TRA CỨU THIẾT BỊ ĐIỆN 0,4 ĐẾN 500KV (Ngô hồng Quang ,NXB khoa học và kỹ thuật Hà nội -2002) chọn máy cắt chân không đặt trong nhà loại 3CG do Siemens chế tạo có các thông số kỹ thuật như sau:

INmax(kA) 50 50 40 Điện áp xung kích chịu đựng (kV)

Thời hạn kiểm tra bảo dưỡng

Sau 10 năm hoặc sau 10000 lần thao tác

Bảng 3.1 Thông số máy cắt 3CG

3.6.3 Chọn thiết bị đo lường, bảo vệ phía sơ cấp máy biến thế lò a Chọn máy biến áp đo lường

Chọn một máy biến áp 3 pha có điện áp sơ cấp U1 = 6 kv, điện áp thứ cấp U2 = 100V dùng đo lường phía sơ cấp

Tra bảng 8.13 (Trang 397) SỔ TAY LỰA CHỌN VÀ TRA CỨU THIẾT BỊ ĐIỆN 0,4 ĐẾN 500KV (Ngô hồng Quang ,NXB khoa học và kỹ thuật Hà nội -2002) chọn được MBA đo lường 3 pha đặt trong nhà do Siemens chế tạo có thông số như sau:

Kiểu Thông số kỹ thuật

Một hệ thống thanh góp

Uđm(kV) 12 24 Điện áp chịu đựng tần số công nghiệp (kV)

28 50 Điện áp chịu đựng xung

U2đm (V) 100/ 3 , 110/ 3 , 120/ 3 Tải định mức(VA) 359 500

Bảng 3.2 Thông số Máy biến áp b Chọn máy biến dòng đo lường

Chọn 6 máy biến dòng (3 máy cho bảo vệ 3 máy đo lường) Điều kiện chọn: Uđmbd > Uđmmạng = 6Kv

Iđmbd > 500 A Tra bảng 8 - 8 (Trang 387) SỔ TAY LỰA CHỌN VÀ TRA CỨU THIẾT BỊ ĐIỆN 0,4 ĐẾN 500KV (Ngô hồng Quang ,NXB khoa học và kỹ thuật Hà nội -2002) chọn được Máy biến dòng điện do Siemens chế tạo có thông số như sau:

U chịu đựng tần số công nghiệp (kV) 28

Bảng 3.3 Thông số máy biến dòng điện c.Chọn đồng hồ đo Đồng hồ vôn: Chọn 3 đồng hồ vôn có dải đo là từ 0 ÷ 6 KV Đồng hồ Ampe: Chọn 3 đồng hồ có dải đo là từ 0 ÷ 600 A Đồng hồ Wh: Chọn 3 cái Wh để đo công suất tác dụng từng pha

TỔNG KẾT

4.1 Các kết quả đã đạt được

 Nghiên cứu được về công nghệ luyện thép, các lò luyện thép

 Tìm hiểu tổng quan về lò hồ quang

 Phương án cung cấp điện và điều khiển của lò hồ quang

 Đánh giá các sơ đồ mạch điều khiển

 Thiết kế chi tiết điều khiển dịch cực lò hồ quang gồm

 Thiết kế mạch đo lường

 Chọn phương pháp đảo chiều động cơ

 Thiết kế mạch điều khiển

 Thiết kế mạch bảo vệ

 Chọn thiết bị cho lò

4.2 Đánh giá kết quả đạt được

Báo cáo đã đạt được những mục tiêu đề ra là thiết kế mạch điều khiển dịch cực cho lò hồ quang

Tuy nhiên kiến thức vẫn dựa trên lý thuyết chưa đưa vào mô phỏng chi tiết vì còn nhiều thiếu sót và không đủ thời gian vì mạch khá lớn

Báo cáo chỉ tập trung nghiên cứu về lò hồ quang

4.3 Các hướng phát triển đề tài

Mạch điều khiển còn rất nhiều chỗ có thể phát triển bằng các bộ vi xử lí, biến tần, PLC,