Đồ án thiết kế Lò Hồ Quang

PHẦN 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG LÒ HỒ QUANG 1.1 Khái niệm chung Lò hồ quang lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang để nấu chảy kim loại và nấu thép hợp kim chất lượng cao. Lò hồ quang được cấp nguồn từ biến áp lò đặc biệt với điện áp đặt vào cuộn sơ cấp (6 ÷ 10) kV, và có hệ thống tự động điều chỉnh điện áp dưới tải. 1. Các thông số quan trọng của lò hồ quang là: +. Dung tích định mức của lò: số tấn kim loại lỏng của một mẻ nấu. +. Công suất định mức của biến áp lò: ảnh hưởng quyết định tới thời gian nấu luyện và năng suất của lò.

LỜI NÓI ĐẦU

Trải qua bao thăn trầm của lich sử, làm cho ta phát triển các ngành công nghiệp nước ta còn rất chậm so với nền công nghiệp của thế giới Để thoát khỏi tình trạng này chúng ta tiến hành đổi mới nền kinh tế đẩy mạnh công tác công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước.

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ và nhanh tróng của nghành công nghiệp thế giới trong những năm gần đây Một mặt chúng ta cần áp dụng các thành tựu khoa học vào sản xuất, một mặt chúng ta đầu tư nghiên cứu chế tạo đòng thời tiến hành cải tiến cho trang thiết

quang” phục vụ cho ngành công nghiệp Qua 3 tháng tìm tòi nhiên

cứu cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo Hà Trung Kiên cùng với các thầy giáo trong bộ môn Đến nay đồ án tốt nghiệp của em đã được hoàn thành Vì kiến thức còn hạn chế, còn thiếu sót nên mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn đồng nghiệp.

Em xin chân thành cảm ơn!

PHẦN 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG LÒ HỒ

QUANG1.1 Khái niệm chung

Lò hồ quang lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang để nấu chảy kim loại

và nấu thép hợp kim chất lượng cao

Lò hồ quang được cấp nguồn từ biến áp lò đặc biệt với điện áp đặt vào cuộn sơ cấp (6 ÷ 10) kV, và có hệ thống tự động điều chỉnh điện áp dưới tải

1 Các thông số quan trọng của lò hồ quang là:

+ Dung tích định mức của lò: số tấn kim loại lỏng của một mẻ nấu

+ Công suất định mức của biến áp lò: ảnh hưởng quyết định tới thời gian nấu luyện và năng suất của lò

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 ÷ 10mm)

+ 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 sulfua 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.

Một lò hồ quang bất kỳ đều phải có các bô phận chính sau:

+ Nồi lò có lớp vỏ cách nhiệt, cửa lò và miệng rót thép nấu chảy

+ Vòm, nóc lò có vỏ cách nhiệt

+ Giá nghiêng lò

+ Điện cực

+ Giá đỡ điện cực

+ Cơ cấu nghiêng lò để rót nước thép và xỉ

+ Cơ cấu quay vỏ lò xung quanh trục của mình

+ Cơ cấu dịch chyển vỏ lò để nạp liệu

+ Cơ cấu nâng vòm lò để dịch chuyển vỏ lò

+ Cơ cấu dịch chuyển điện cực

+ Cơ cấu nâng tấm chắn gió của cửa lò

Trong sáu cơ cấu trên (trừ cơ cấu dịch chuyển điện cực) đều dùng hệ

truyền đông xoay chiều với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc hoặc rôto dây quấn Còn cơ cấu dịch chuyển điện cực dùng hệ truyền đông một chiều Động cơ truyền đông là động cơ điện một chiều kích từ độc lập được cấp nguồn từ một bộ biến đổi Bộ biến đổi có thể là:

- Máy điên khuếch đại

- Khuếch đại từ

- Bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng Thyristor

Chế độ làm việc của động cơ dịch chuyển địện cực là chế độ ngắn hạn lặp lại

Cấu tạo và kết cấu của lò hồ quang được giới thiệu trên hình 3.1

1.2 Sơ đồ cung cấp điện của lò hồ quang

Sơ đồ cung cấp điện cho lò hồ quang được giới thiệu trên hình 3.2

Nguồn cấp cho lò hồ quang được lấy từ trạm phân phối trung gian với cấp điện áp 6, 10, 20 hoặc 22kV (tuỳ theo cấp điện áp của trạm phân phối)

Sơ đồ cấp điện có các thiết bị chính sau:

+ Cầu dao cách ly, đóng cắt không tải dùng để cách ly mạch lực của lò và lưới điên trong trường hợp cần sửa chữa

+ Máy cắt dầu 1MC, đóng cắt có tải cấp điện cho lò

+ Cuộn kháng CK dùng để hạn chế dòng ngắn mạch làm việc (dòng ngắn mạch làm việc không được lớn hơn 3 lần dòng định mức), ngoài ra cuộnkháng còn có chức năng đảm bảo cho ngọn lửa hồ quang cháy ổn định, đặc biệt là trong giai đoạn nung nóng và nấu chảy kim loại Sau đó cuộn kháng

CK được ngắn mạch bằng máy cắt dầu 2MC

+ Máy cắt dầu 3MC và 4MC dùng để đổi nối sơ đồ đầu dây cuộn sơ cấp của biến áp lò (BAL) thành hình sao (Y) hoặc tam giác (∆)

+ Biến áp lò (BAL) dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp cấp cho lò Biến

áp lò về cấu tạo và hình dáng giống như biến áp động lực thông thường, nhưng nó làm việc trong môi trường khắc nghiệt, điều kiện làm việc nặng nề cho nên so với biến áp động lực thông thường nó có những đặc điểm khác biệt sau:

- Cùng một cấp công suất, biến áp lò có kích thước và khối lượng lớn hơn

- Có độ bền cơ học cao để chụi được sự tác động của lực điện từ phát sinh trong các cuộn dây và thanh dẫn trong trường hợp xảy ra hiện tượng ngắn mạch làm việc

1 vỏ lò; 2 vòm lò; 3 cửa lò; 4 Miệng rót; 5.giá nghiêng lò; 6 Cơ cấu nghiêng lò; 7.Cơ cấu dịch chuyển vỏ lò; 8 cơ cấu nâng vòm lò; 9 điện cực; 10 giá đỡ điện cực; 11.cơ cấu dịch chuyển điện cực; 12 đầu cấp điện vào điện cực

Hình 3.1 Cấu tạo và kết cấu lò hồ quang Hình 3.2 Sơ đồ cung cấp điện lò hồ quang

- Có khả năng tự động điều chỉnh điện áp dưới tải trong phạm vi khá rộng khi điện áp lưới dao động.

Công suất của biến áp lò có thể xác định gần đúng từ điều kiện công suất nhiệt trong giai đoạn nóng chảy, vì ở giai đoạn còn lại công suất nhiệt lò yêu cầu ít hơn

Nếu giả thiết rằng: trong giai đoạn nấu chảy, tổn thất trong lò hồ quang, trong biến áp lò và trong cuộn kháng CK được bù trừ bởi năng lượng của phản ứng toả nhiệt thì công suất của biến áp lò được tính theo biểu thức:

W cos

tnc - thời gian nấu chảy, h;

cosφ - hệ số công suất của lò

N năng lượng hữu ích và tổn hao nhiệt W có thể tính được theo công thức:

+ Thiết bị đo lường và bảo vệ

- Phía cao áp có biến dòng TI1 và biến điện áp TU dùng cho các khí cụ đo lường: vôn kế (V), ampe kế (A), wat kế (W), đồng hồ đo công suất hữu công (kWh) và đồng hồ công suất vô công (kVAr)

- Phía hạ áp có biến dòng TI2 dùng để đo dòng và đưa tín hiệu đến mạchbảo vệ ĐKBV (khối điều khiển và bảo vệ)

6

Trong một chu trình nấu luyện của lò hồ quang, trong mỗi giai đoạn, công suất điện tiêu thụ khác nhau Bởi vậy, điều chỉnh công suất lò hồ quang

là một vấn đề quan trọng đối với công nghệ nấu luyện kim loại trong lò

hồ quang

Ngoài ra, điều chỉnh công suất lò trong toàn chu trình nấu luyện hợp lý cho phép:

- Giảm thời gian nấu luyện

- Nâng cao năng suất của lò

- Giảm chi phí điện năng

- Nâng cao chất lượng thép

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật một số loại lò hồ quang

225 110

243 124

281 120

380 120

390 130

được Ngoài ra, khi dòng điện trong một pha nào đó thay đổi sẽ làm chodòng 2 pha còn lại thay đổi Ví dụ như đứt 1pha, dòng 2 pha còn lại giảm xuống và lúc đó bộ điều chỉnh thực hiện việc hạ điện cực xuống mặc dầukhông cần việc đó Các bộ điều chỉnh này chỉ dùng cho lò một pha, chủ yếu là

lò hồ quang chân không

• Bộ điều chỉnh duy trì điện áp Uhq = const có khó khăn trong việc đo thông số này Thực tế, cuộn dây đo được nối giữa thân kim loại của lò và thanh cái thứ cấp BAL Do vậy điện áp đo được phụ thuộc vào dòng tải và sự thay đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới 2 pha còn lại như đã trình bày

• Bộ điều chỉnh duy trì Uhq/Ihq = Zhq = const là tối ưu thông qua hiệu số các tín hiệu dòng và áp:

aIhq – bUhq = bIhq(Z0hq – Zhq)

Z0hq, Zhq giá trịđặt và giá trị thực của tổng trở hồ quang

1/bIhq(aIhq - bUhq) = Z0hq – Zhq = ∆Zhq

Như vậy việc điều chỉnh thực hiện theo độ lệch của tổng trở hồ quang

so với giá trị đặt Phương pháp này dễ mồi hồ quang, duy trì được công suất

lò, ít chụi ảnh hưởng của dao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha

8

Mỗi giai đoạn làm việc của lò hồ quang (gồm nấu chảy, ôxy 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 dài 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

Các yêu cầu chính đề ra cho một bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang là:

1 Đủ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò, duy trì dòng điện hồquang không tụt quá (4÷5)% trị số dòng điện làm việc Vùng không nhạy của bộ điều chỉnh không quá ± (3÷6)% trong khi nấu chảy và ± (2÷4)% trong các giai đoạn khác

2 Tác động nhanh, đảm bảo khử ngắn mạch hay đứt hồ quang trong thời gian (1,5 ÷3)s Điều đó sẽ làm giảm số lần ngắt máy cắt chính, giảm sự thấm Carbon của kim loại… Các lò hồ quang hiện đại không cho phép ngắt máy cắt chính quá 2 lần trong giai đoạn nấu chảy Đảm bảo yêu cầu này nhờ tốc

độ dịch cực nhanh tới (2,5÷3)m/ph trong giai đoạn nấu chảy (khi dùng truyền động điện cơ) và (5÷6)m/ph (khi truyền động thuỷ lực) Dòng điện hồ quang càng lệch xa vị trí đặt thì tốc độ dịch cực phải nhanh

3 Thời gian điều chỉnh ngắn

4 Hạn chế tối thiểu sự dịch cực không cần thiết như khi chế độ làm việc bịphá vỡ trong thời gian rất ngắn hay trong chế độ thay đổi tính đối xứng Yêu cầu này càng cần đối với lò 3 pha không có dây trung tính Chế độ hồ quangcủa một pha nào đó bị phá huỷ sẽ dẫn theo phá huỷ chế độ hồ quang của pha còn lại Điện cực các pha còn lại đang ở vị trí chuẩn cũng có thể bị dịchchuyển Do vậy mỗi pha cần có hệ điều chỉnh độc lập để sự làm việc của nó không ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các pha khác

5 Thay đổi công suất lò trơn trong giới hạn 20÷125% trị số định mức với sai số không quá 5%

6 Có thể di chuyển nhanh từ chế độ điều khiển tự động sang chế độ điều khiển bằng tay do phải thực hiện thao tác phụ nào đó (chẳng hạn nâng điện cực

9

trước khi chất liệu vào lò) và ngược lại, chuyển nhanh về chế độ điều khiển

tự động

7 Tự động châm lửa hồ quang khi bắt đầu làm việc và sau khi đứt hồ quang Khi ngắn mạch thì việc nâng điện cực lên không làm đứt hồ quang

8 Dừng mọi điện cực khi mất điện lưới

Cơ cấu chấp hành (cơ cấu dịch cực ) có thể truyền động bằng điện - cơ hay thuỷ lực Trong cơ cấu điện - cơ, động cơ được dùng phổ biến là động cơ điện một chiều kích từ độc lập vì nó có mômen khởi động lớn, giải điều chỉnh rộng, bằng phẳng, dễ điều chỉnh và có thể dễ mở máy, đảo chiều, hãm Đôi khi cũng dùng động cơ không đồng bộ có mômen quán tính của roto nhỏ

Hình 3.3 Sơ đồ khối chức năng hệ điều chỉnh công suất lò hồ quang

Hệ gồm đối tượng điều chỉnh 7 (lò hồ quang) và bộ điều chỉnh vi sai

Bộ điều chỉnh gồm các phần tử cảm biến dòng 1 và biến áp 2, phần tử so sánh

1

3, bộ khuếch đại 5, cơ cấu chấp hành 6 và thiết bị đặt 3 Trên phần tử so sánh

4 có hai tín hiệu từ đối tượng tới (từ đối tượng dòng và áp) và một tín hiệu từ thiết bị đặt tới Tín hiệu so lệch từ phần tử so sánh được khuếch đại qua bộ khuếch đại 5 rồi đến cơ cấu chấp hành 6 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 còn có các phần tử phản hồi về tốc độ dịch cực, về tốc độ thay đổi dòng , áp hồ quang v.v…Trong sơ đồ cũng có thể có các phần tử chương trình hoá, máy tính v.v…

Hệ điều chỉnh có thể dùng khuếch đại từ, khuếch đại máy điện, Thyristor, thuỷ lực, ly hợp điện từ…

1

2 Sơ đồ một pha khống chế dịch cực lò hồ quang dùng máy điện khuếchđại - động cơ

CFA

MĐKĐ 8R

2K 2CD

V

Ị TRÍ T AY G Ạ T

(1-2) + (3-4) : Nâng N (5-6) + (7-8) : Tự động (9-10)+(11-12) : Hạ H

Hình 3-4 Sơ đồ dịch cực cho một pha lò hồ quang

Lò hồ quang được trang bị bốn hệ truyền động như nhau, trong đó ba

hệ dùng để truyền đông ba điện cực, hệ còn lại ở chế độ dự phòng

Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động được biểu diễn trên hình 3-4

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Đ truyền động nâng hạ điện cực thông qua cơ cấu truyền lực dùng bánh răng - thanh răng được cấp nguồn

từ máy điện khuếch đại từ trường ngang MĐKĐ MĐKĐ có ba cuộn kích thích:

- Cuộn chủ đạo CĐC1ở chế độ tự động và CĐC2 ở chế độ bằng tay

- Cuộn phản hồi âm điện áp CFA

Ở chế độ tự động: cầu dao 1CD hở, 2CD đóng và tay gạt 5-6 và 7-8 đóng Điện áp ra ở chỉnh lưu tỉ lệ với dòng điện hồ quang đặt lên chiết áp 3R Điện áp ra của cầu chỉnh lưu 2CL tỉ lệ với điện áp hồ quang đặt lên chiết áp 4R Điện áp đặt lên cuộn kích thích CĐ1 bằng:

UCĐC1 = UR4 – UR3 (3.3)

Điện áp đặt lên cuộn CĐC1 bằng:

Sức từ động sinh ra trong cuộn CĐC1 có chiều để MĐKĐ phát ra điện

áp có cực tính để động cơ Đ quay theo chiều hạ điện cực đi xuống với tốc độ chậm vì lúc này dòng hồ quang bằng không nên rơle dòng RD chưa tác động, điện trở 5R nối tiếp với cuộn CĐC1, mặt khác điột 3CL thông làm ngắn mạch điện trở 7R nên dòng trong cuộn phản hồi âm điện áp CFA tăng lên

Sức từ động tổng trong các cuộn kích thích là:

sẽ giảm xuống, kết quả là điện cực được hạ xuống chậm

Khi điện cực chạm vào phôi liệu (hiện tượng ngắn mạch làm việc), dòng

hồ quang có trị số cực đại (Ihq = Inm), còn điện áp hồ quang bằng không

điện áp đặt trên cuộn CĐC1 bằng điện áp đặt lên điện trở R3

Sức từ đông do cuộn dây CĐC1 đảo chiều, máy điện khuếch đại phát ra điện áp có cực tính ngược lại, làm cho đông cơ đảo chiều quay kéo điện cực lên nhanh Trong chế độ nâng, điôt 3CL khoá, điện trở 7R được nối

rơle điện áp RA tác động làm cuộn dây rơle thời gian mất điện Sau thời gian

mở chậm, tiếp điểm RTh mở ra đưa điện trở 10R vào nối tiếp với cuộn kích thích CKĐ của động cơ làm giảm từ thông để tăng tốc động cơ trên tốc

độ cơ bản Kết quả là sức từ động tổng trong các cuộn kích từ tăng lên để điện cực được kéo lên nhanh khỏi phôi liệu và sau thời gian chỉnh định (đủ

để cho điện áp MĐKĐ đạt đến định mức) từ thông động cơ giảm để tốc độ tăng trên tốc độ cơ bản

Khi điện cực nâng khỏi phôi liệu, ngọn lửa hồ quang xuất hiện, quá trình mồi hồ quang hoàn tất Trong quá trình điện cực di chuyển theo chiều đi lên, dòng điện hồ quang giảm, điện áp hồ quang tăng lên Hiệu điện áp lấy trên chiết áp 3R và 4R giảm dần, sức từ động giảm, điện áp phát ra của máy điên khuếch đại giảm dần và động cơ nâng điện cực chậm dần Khi điện áp máy phát của máy điện khuếch đại nhỏ hơn ngưỡng tác động của RA, RA không tác động nên RTh có điện để ngắn mạch điện trở 10R làm tăng dòng của cuộn CKĐ đến giá trị định mức, tốc độ động cơ lại càng giảm đến thời điểm thời điểm khi điện áp trên 3R và 4R cân bằng về trị số, điện áp trên cuộn CĐC1 bằng không, điện áp phát ra của máy điện khuếch đại bằng không động cơ ngừng quay, ngọn lửa hồ quang cháy ổn định Trong quá trình nấu luyện, do sự bắn phá của các điện tử lên bề mặt điện cực, làm cho điện cực bị mòn dần, hệ truyền động sẽ tự động hạ điện cực theo chiều đi xuống để duy trì độ dài cung lửa hồ quang không đổi, duy trì tỷ số:

hq

U =c t

Ở chế độ khống chế bằng tay, cầu dao 1CD đóng, 2CD mở, tay gạt 1-2

và 3-4 đóng (để nâng điện cực) hoặc 9-10 và 11-12 đóng (để hạ điện cực), cuộn CĐC2 có điện, chức năng tương tự như cuộn CĐC1 ở chế độ tự động

3 Sơ đồ dịch cực lò hồ quang dùng Thyristor

Bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang dùng Thyristor có thể làm việc với

lò dung lượng 200T, động cơ dịch cực có công suất 11kW Tốc độ dịch cực tối

đa 5m/ph khi dùng thanh răng và 1,5m/ph khi dùng tời

- Động cơ một chiều kích từ độc lập Đ truyền động dịch chuyển điện cực thông qua cơ cấu truyền động thanh răng - bánh răng được cấp nguồn từ bộ biến đổi dùng thyristor

- Bộ biến đổi là hai bộ chỉnh lưu hình tia ba pha nối song song ngược: 1T, 3T, 5T và 2T, 4T, 6T

- Biến áp động lực 2BA có chức năng phối hợp điện áp giữa lưới điện và động cơ điện, đồng thời hạn chế dòng điện ngắn mạch và hạn chế tốc độ tăng dòng anot để bảo vệ các thyristor

- Cuộn kháng cân bằng CKCB1 và CKCB2 hạn chế dòng cân bằng

- Trị số tốc độ và chiều quay của động cơ phụ thuộc vào điện áp ra của bộ biến đổi Trị số này phụ thuộc vào góc mở α của các thyristor

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động dịch chuyển điện cực dùng hệ T - Đ

- Điều khiển bộ biến đổi này dùng phương pháp điều khiển chung

- Điện áp ra trên cầu chỉnh lưu 2CL tỷ lệ với điện áp hồ quang đặt lên chiết

(khâu không nhạy tạo ra đoạn a1 - a2) nếu tổng đại số của hai điện áp trên nhỏ hơn trị số điện áp của khâu KN, điện áp ta của KN (tương ứng như điện

ra của hai bộ biến đổi bằng không, động cơ dừng quay

Nếu chế độ làm việc của lò sai lệch khỏi chế độ đã đặt (như Ihq tăng do

hơn điện áp ngưỡng của vùng không nhạy, điện áp ra của KN khác không,

cực tính điện áp ra của KN sẽ quyết định trị số góc của α để cho bộ biến đổi phát ra điện áp có cực tính để động cơ quay theo chiều nâng hoặc hạ điện cực.

sẽ làm cho bộ biến đổi phát ra điện áp để động cơ quay theo chiều hạ điện cực

- Khi dòng điện hồ quang tăng, cực tính ra của khâu KN đổi cực tính, kết quả động cơ quay theo chiều nâng điện cực đi lên Ở vùng dòng hồ

vùng thay đổi lớn của dòng hồ quang, thì tốc độ nâng điện cực tăng

Hình 3.6 Đặc tính tĩnh của bộ điều chỉnh dịch cực lò hồ quang dùng thyristor

Nấu luyện kim loại trong chân không sẽ loại trừ được tương tác của kim loại nóng chảy với khí quyển, thực hiện khử khí trong kim loại triệt để hơn, loại trừ tương tác của kim loại nóng chảy với các điện cực v.v…Do vậy, lò chân không được ứng dụng trong:

- Sản xuất các vật liệu chụi nhiệt và có hoạt tính hoá học mạnh như: ziricôni Zn, titan Ti, vonfram W v.v…

- Sản xuất kim loại hiếm

- Sản xuất thép chất lượng cao, có lý tính tốt dùng trong các ổ đỡ cao tốc…

- Sản xuất các vật liệu đặc biệt dùng trong các ngành kỹ thuật như: nguyên tử,

vũ trụ…

Có 2 loại lò hồ quang chân không:

1 Lò có điện cực không tiêu tốn bằng graphic hay bằng đồng với đầu cực vonfram (có làm mát bằng nước) Loại lò này khó đảm bảo chất lượng cao của kim loại luyện vì thành phần bị làm bẩn bởi các điện cực khi nấu luyện

2 Lò có điện cực tiêu tốn là chính kim loại nấu luyện thường được sử dụng rộng rãi.

Về kết cấu, lò hồ quang chân không thường bao gồm các bộ phận chính:

- Khuôn kết tinh ở dạng ống đồng (tròn, ôvan hay chữ nhật) có vỏ làm mát bằng nước Thường lớp ngoài bằng vật liệu không từ tính có đặt cuộn dây để tập trung hồ quang dọc trục ống và khuấy trộn kim loại trong bể lỏng

- Cơ cấu treo và dịch điện cực Hệ treo có thể là mềm (tời, xích) hay cứng

(vít, bánh răng) và tốc độ dịch cực 20 ÷ 300mm/ph

- Buồng làm việc có ống nạp liệu hay phễu

- Hệ thống bơm chân không, dụng cụ đo

- Hệ thống làm mát lò

- Nguồn cấp và hệ điều khiển

- Nếu nấu luyện trong khí trơ thì có hệ thống truyền khí trơ

Hình 3.7 Lò hồ quang chân không

Hình 3.7a là lò có điện cực tiêu tốn gồm: 1.thỏi kim loại nấu luyện; 2.buồng chân không có khuôn; 3 điện cực tiêu tốn; 4.cơ cấu dịch cực; 5.thỏi kim loại; 6.vỏ kín; 7.cửa quan sát ;8.thiết bị hàn điện cực

Hình 3.7b là lò có điện cực không tiêu tốn gồm: 1.nồi có làm mát bằng nước;

2 phiễu liệu bột kim loại; 3 điện cực đồng có nước làm mát; 4 đầu

vonfram của điện cực; 5 cửa quan sát

Hồ quang dùng trong lò chân không phổ biến là hồ quang một chiều do

tính chất cháy ổn định cao của nó Đặc điểm của đặc tính V-A của hồ quang trong chân không là điện áp tương đối thấp Do đó, để đảm bảo công suất cần thiết thì dòng cấp phải lớn (có thể đến 50kA) Từ đó, lò cần nguồn có dòng lớn và dây dẫn lớn Để đảm bảo ổn định hồ quang trong chân không và quá trình công nghệ, đặc tính ngoài của nguồn cấp cần dốc đứng, nguồn dòng không phụ thuộc vào điện

áp lưới, điện trở hồ quang Sự ổn định dòng điện được thực hiện nhờ phản hồi dòng

Nguồn cấp cho lò hồ quang chân không có thể là bộ biến đổi quay, bộ biến đổi bán dẫn hay nguồn dòng thông số với các phần tử phản kháng

Phần mạch lực của lò hồ quang như hình 3.8

Hình 3.8 Sơ đồ mạch lực lò hồ quang chân không

Sơ đồ sử dụng các chỉnh lưu đến 200A gồm nhiều điôt mắc song song Do thời gian rót kim loại lỏng và chuẩn bị cho mẻ tiếp theo là bằng hoặc lớn hơn thời gian nấu nên thường một mạch lực cấp điện cho 2 lò làm việc luân phiên

Cuộn sơ cấp máy BAL điều chỉnh được điện áp dưới tải và được cấp điện

từ lưới qua cầu dao cách ly CDCL và máy cắt dầu Hai bộ chỉnh lưu cấp điện

từ 2 cuộn thứ cấp 3 pha qua cuộn kháng bão hoà KBH có các cuộn làm việc LV xoay chiều và điều khiển một chiều từ bộ điều khiển BĐK Sơ đồ chỉnh lưu là hình tia cấp cho lò qua cuộn kháng san bằng K Các cuộn thứ cấp 3 pha có điểm nối chung ngược cực tính để giảm hệ số đập mạch sau khi chỉnh lưu

Hệ tự động lò hồ quang chân không cần đảm bảo các thao tác sau:

- Châm lửa hồ quang không tạo ngắn mạch

- Ổn đinh độ dài cung lửa hồ quang đã cho

- Dịch chuyển điện cực tiêu tốn theo tốc độ chảy

- Ổn định công suất hồ quang

Ưu điểm của lò hồ quang plasma là tập trung một năng lượng nhiệt lớn trong một vùng thể tích nhỏ nên đảm bảo nhiệt độ quá trình rất cao, do đó tăng được khả năng phản ứng và tốc độ phản ứng Trạng thái kích thích của nguyên tử

ở nhiệt độ cao còn cho phép gây phản ứng để tạo các môi liên kết mà không thể

thực hiện được ở các điều kiện thông thường.

Phần tử cơ bản của lò plasma là plasmatron, ở đó điện năng của nguồn cấp được biến đổi thành nhiệt năng của dòng plasma nhiệt độ thấp

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý của plasmatron

Phân loại plasmatron theo nguyên lý biến đổi điện năng thành nhiêt năng có: plasmatron hồ quang, plasmatron cảm ứng và điện tử Theo loại dòng điện

có plasmatron dòng một chiều, xoay chiều tần số công nghiệp và cao tần Trong Plasmatron hồ quang loại tác dụng trực tiếp được dùng phổ biến

Plasmatron hồ quang (hình 3.9) gồm điện cực 1 có dạng thanh, bình 2 làm mát đặt đồng trục với điện cực Trong plasmatron 1 chiều thì điện cực thường là catôt, được nối với cực (-) của nguồn cấp của nguồn cấp 4 Catôt làm bằng kim loại chụi nhiệt có thêm chất phát xạ như oxyt thori, ittri v.v Bình làm mát bảo vệ catot khỏi kim loại bắn toé vào và tạo hướng chuyển động cho khí

Hồ quang 3 cháy giữa catot và bình 2 Để nâng cao mật độ năng lượng, ta làm lạnh cưỡng bức đồng thời nén cột hồ quang bằng khí, điện trường hoặc từ trường Khí tạo plasma đã nén được thổi dọc điện cực ra qua lỗ nhỏ

dưới bình 2.luồng khí sẽ thổi hồ quang xuống dưới và trong điều kiện lỗ ra nhỏ

sẽ tăng mật độ dòng điện và nhiệt độ plasma Sau khi ra khỏi bình với tốc độ lớn, khí nén giãn nở tạo thành dòng plasma chói sáng

Hình 3.10 Sơ đồ nguồn dòng lò hồ quang plasma

Nguồn cấp cho lò có thể là các khiển hay có điều khiển Yêu cầu cơ bản với khối nguồn là có đặc tính ngoài dốc đứng Đặc tính này loại trừ được khả năng dòng bị dao động khi điện áp hồ quang thay đổi tức là ổn định tốt dòng hồ quang

Hằng số thời gian điện từ của mạch lực cần phải lớn để tránh sự nhảy vọt của dòng điện mà từ đó có thể tạo ra hồ quang kép trong plasmatron Đặc

tính ngoài dốc đứng được tạo nhờ các phản hồi dương điện áp và âm dòng điên hồ quang.

Hình 3.10 là sơ đồ nguồn dòng lò hồ quang plasma sử dụng thyristor Biến

áp BA điều chỉnh điện áp thứ cấp được cấp điện từ lưới qua cầu dao cách ly CDCL và máy cắt MC Nguồn cấp gồm bộ chỉnh lưu có điều khiển CLĐK và

bộ chỉnh lưu phụ không điều khiển CL Bộ nguồn có cuộn kháng san bằng

K, điôt nối song song VD, hệ thống điều khiển pha xung XP, khâu phản hồi dòng và áp hồ quang FH, khối dao động mồi M cấp từ nguồn chỉnh lưu phụ CL Cuộn thứ cấp biến áp BA có thể chuyển đổi nối sao hay tam giác để thay đổi điện áp ra

Dòng hồ quang 200 ÷ 300A bị hạn chế bởi điện trở R có làm mát bằng nước và để đảm bảo tạo hồ quang plasma ban đầu Tăng tiếp dòng hồ quang nhờ thay đổi đều góc mở α của thyristor Sự tăng đều dòng hồ quang sẽ tránh được hiện tượng tạo ra hồ quang kép Khâu phản hồi FH để tạo dạng dốc đứng của đặc tính ngoài Các tín hiệu vào khâu FH tỉ lệ với dòng điện và điện áp hồ quang

Sau khi mồi xong hồ quang và dòng hồ quang tăng đều đến giá trị đặt thì khâu phản hồi FH thực hiện ổn định hồ quang

Bảo vệ trong các sơ đồ plasma có: bảo vệ ngắn mạch và quá tải cũng như bảo

vệ khỏi các chế độ làm việc sai lệch khác như áp suất nước làm mát bị giảm, áp suất khí bị giảm, tạo ra hồ quang kép…

PHẦN 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Sơ đồ cấu trúc một pha hệ điều chỉnh được thiết kế như sau:

Các khối trong sơ đồ gồm có :

Chức năng của các khối trong sơ dồ như sau:

phát xung

ΙΙ MẠCH ĐỘNG LỰC

A CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG.

Yêu cầu của động cơ truyền động dịch cực là phải có mô men khởi động lớn, giải điều chỉnh rộng bằng phẳng, có khả năng đảo chiều nhanh Từ những yêu cầu có ta xét 2 loại động cơ : Động cơ một chiều và động cơ xoay chiều

1 Động cơ xoay chiều

Trong các loại động cơ xoay chiều thì động cớ đồng bộ có cấu tạo phức tạp

và mở máy rất khó nên không dùng loại động cơ này

Động cơ khộng đồng bộ rôtor dây quấn có mô men mở máy khá lớn có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phản ứng, thay đổi từ thông, thay đổi tần số nguồn và điện trơ rôtor Động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tốc độ

bằng các phương pháp trên làm cho độ cứng đặc tính cơ giảm, chỉ có phương pháp điều chỉnh tần số là giữ nguyên độ cứng đặc tính nhưng lại rất đắt tiền Động cơ không đồng bộ có thể hãm và đảo chiều một cách khá dễ dàng Tuy nhiên động cơ không đồng bộ phải lấy công suất kích thích từ lưới lên hệ số cos

máy khá phức tạp, hãm , đảo chiều khó khăn hơn

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

2 Động cơ một chiều

Động cơ một chiều có cấu tạo phức tạp hơn động cơ không đồng bộ nhưng có mô men mở máy lớn, mở máy dễ dàng, có thể điều chỉnh tốc độ bằng nhiều phương pháp: Thay đổi địên áp phần ứng, thay đổi điện trơ phụ mạch phần ứng, thay đổi từ thông Có thể điều chỉnh vô cấp giải điều chỉnh rộng, hãm và đảo

chiều dễ dàng Trong động cơ một chiều thì động cơ một chiều kích từ độc lập

có thể thay đổi dòng kích từ để điều chỉnh tốc độ lên trên tốc độ định mức, không phụ thuộc vào điện áp phần ứng

Các chỉ tiêu khi điều chỉnh tốc độ động cơ là:

- Sai lệch tĩnh: S%=

% 100

phạm vi điều chỉnh và tăng độ cứng đặc tính cơ Tuy nhiên nó chỉ cải thiện được phần nào đó mà vẫn không hoàn toàn khắc phục được các nhược điểm đã nêu ở trên.

2 Điều chỉnh từ thông

CK

+

-+

-E D

Iư

R k

Phương pháp điều chỉnh từ thông do công suất cuộn kích từ bằng

điều chỉnh vô cấp và nguồn cung cấp cho cuộn kích từ có thể sử dụng là bán dẫn

do đó dễ tự động hoá mở rộng phạm vi điều chỉnh và tăng cường đặc cứng cơ Phương pháp này thực hiện đơn giản nhưng có nhược điểm là khi điều chỉnh tốc

độ càng cao thì đặc tính cơ càng dốc do đó độ sai lệch tĩnh tăng, nó phù hợp vơí loại tải có mô men cản tỉ lệ nghịch với tốc độ

3 Phương pháp điều áp động cơ

BBA

E

+

Hệ thống điều áp động cơ cho ta những đặc tính cơ nằm dưới dặc tính cơ

trơ βk và nhỏ hơn đặc tính tự nhiên βTN

Phương pháp này cho ta phạm vi điều chỉnh rộng vì thông thường khi dùng bộ biến đổi (BBDD) ta dùng hệ thống truyền động tự động Do vậy mở rộng dải điều chỉnh, tăng độ cứng P Phương pháp này thực hiện điều chỉnh vô cấp vì nó được điều chỉnh trên phần tử có công suất nhỏ dễ tạo ra bộ biến đổi có chất lượng cao Vì vậy hiện nay động cơ một chiều kích từ độc lập có ưu điểm cho hệ thống truyền động chất lượng cao

4 Nhận xét:

Cả 3 phương pháp điển hình đã được xét ở trên, có thể điều chỉnh được tốc

độ động cơ theo yêu cầu Tuy nhiên phương pháp thay đổi điện trở và thay đổi từ thông đều làm giảm độ cứng cảu đặc tính cơ, làm cho sai lệch tĩnh tăng lên so với phương pháp thay đổi điện áp Điều chỉnh từ thông thích hợp với loại tải

điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ là thích hợp

nhất với truyền động dịch cực do có thể hoàn toàn tự động điều khiển, có chỉ tiêu chất lượng rât cao, mặt khác ta có nhiều cách đẻ thay đổi điện áp Nó có thể dễ dàng phối hợp với các lượng biến đổi của dòng và áp hồ quang để thay đổi tốc

độ dịch cực Vậy dựa theo yêu cầu cảu hệ thống truyền động dịch cực của lò hồ quang, chọn phương pháp thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

C CHỌN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG.

Để chọn được một hệ thống truyền động hợp lý về cả yêu cầu kỹ thuật và kinh tế ta cần phải phân tích một số hệ thống truyền động mà đáp ứng được các yêu cầu chung rồi từ đó rút ra một hệ thống tối ưu nhất

1 Hệ thống MY-Đ

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống như sau:

U ss

Đ FT KĐTG

CK 3

D 1

D 2

+ _

ra của MY tương đối bằng phẳng.

Tuy nhiên đây là hệ thống truyền động cổ điển và nó tồn tại những nhược điẻm cơ bản

Hệ thống sử dụng bộ biến đổi quay nên cồng kềnh chiếm nhiều diện tích lắp đặt trong nhà xưởng, cần có nền móng phải vững chắc

Đây là hệ thống cơ nên có quán tính lớn, gây ra tiếng ồn, khả năng ổn định

hệ thống kém, độ tin cậy không cao Hiêu suất của hệ thống thấp vì phải qua

nhiều khâu biến đổi.

Giá thành của hệ thống cao

FT T N T N

+

CK

_

A B C

Giới thiệu hệ thống:

(Tiristor) để cung cấp điện áp cho động cơ

- FT: Máy phát tốc.

Hệ thống này sử dụng phản hồi âm tốc độ Bộ biến đổi van động cơ biến đổi trực tiếp dòng xoay chiều thành dòng 1 chiều không qua khâu trung gian cơ học nào Các van vừa có chức năng biến đổi năng lượng xoay chiều thành một chiều vừa có nhiệm vụ thay đổi sức điên động của bộ biến đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ nhờ việc thay đổi thời điểm phát xung đến mở các van Hệ thống này có khả năng tự động hoá nhờ khâu tổng hợp để tổng hợp các tín hiệu

để điều khiển việc phát xung

Nhận xét về hệ thống

Hệ thống có những ưu điểm nổi bật là:

cũng như không cần phải xây dựng nền móng đặc biệt Hiệu suất của hệ thống rất cao có hệ số khuyếch đại cao tuỳ ý, dễ dàng thực hiện tự động hoá

hệ thống

nhanh, có thể coi như tức thời

của cả hệ thống hạ đáp ứng được yêu cầu kinh tế

Nhược điểm: tuy nhiên hệ thống van-động cơ cũng có những nhược điểm cần khắc phục như sau:

kém

- Hệ số cos ϕ thấp.

Nhưng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thật hiện nay, công nghiệp chế tạo bán dẫn đã và đang phát triển mạnh mẽ Nó đã đạt được các ưu điẻm nổi bật mà các linh kiện khác không thể thay thế được Vì vậy ta chọn hệ thống van động cơ

3 Phương pháp đảo chiều dùng 2 bộ biến đổi van đấu song song ngược

Xét làm việc với nguyên tắc điều khiển tổng quát Để cho động cơ quay

ta Eb 1> 0 đồng thời ta loại trừ tác dụng của V2

α2 > 900, Eb 2 < 0 Chọn α2 sao cho | Eb2| < | Eb1| đồng thời loại trừ tác dụng của

góc α2<900, loại trừ tác dụng của tổ van V1

Để khống chế tác dụng của các tổ van bằng các xung điều khiển ta có 2 phương án sau:

* Phương pháp điều khiển chung.

V2 với góc α>900 Trong lúc đó tổ van V1 có α1<900 Mở van V2 sao cho |Eb2| > |

Dòng cân bằng chay giữa 2 tổ van là:

0 Rb

I cb

.Suy ra: α1+α2=π

Đây là phương pháp điều khiển chung tuyến tính

Nếu α1+α2=π+ξ với ξ<50

Đây là phương pháp điều khiển chung tuyến tính

* Phương án điều khiển riêng:

Nguyên tắc là để loại trừ tổ van nào thì ta ngừng việc đưa xung đến tổ van

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

van kia làm việc Điều này cần phải làm việc một cách tin cậy

Nhận xét:

Qua việc phân tích cụ thể ở trên, đồng thời dựa về yêu cầu của đề tài, ta chọn hệ thống truyền động dịch cực bằng động cơ 1 chiều kích từ độc lập dùng

bộ biến đổi van có điều khiển

Do yêu cầu đảo chiều điện cực lò hồ quang cần phải nhanh và liên tục nên

ta chọn phương pháp dùng 2 bộ biến đổi mắc song song ngược Đồng thời phương pháp điều khiển 2 bộ biến đổi là phương pháp điều khiển chung tuyến tính

2 Phân tích chọn sơ đồ chỉnh lưu:

Việc sử dụng các sơ đồ một pha hay các sơ đồ bán điều khiển là điều không nên do nó có chỉ tiêu chất lượng rất kém (làm mất đối xứng điện áp lưới, dòng áp chỉnh lưu sau không băng phẳng vv.) Vì vậy việc phân tích để chọn lựa chúng là điều không cần thiết

Ta chỉ xét 2 sơ đồ chỉnh lưu chất lượng đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu

kỹ thuật dòng-áp sau chỉnh lưu là sơ đồ 3 pha hình tia và sơ đồ 3 pha hình cầu