lò hồ quang, lò cảm ứng

Định nghĩa: Lò hồ quang là loại lò dùng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại.. Hiện tượng ngắn mạch: Trong giai đoạn này cần

Giới thiệu lò hồ quang

1. Định nghĩa: Lò hồ quang là loại lò dùng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại Thường được sử dụng để nấu thép hợp kim chất lượng cao

2. Phân loại:

Về phương diện dòng điện có thể chia làm 2 loại hồ quang 1 chiều và hồ quang xoay chiều

Về phương diện cách thức nấu chảy thì có thể chia làm hai loại:

•. Trực tiếp: Dòng hồ quang chạy trực tiếp qua vật cần nung chảy

•. Gián tiếp: Dòng hồ quang được tạo ra nhờ thiết bị tạo hồ quang(điện cực) và nhiệt lượng của hồ quang được đưa đến vật cần nung chảy

3. Các thông số quan trọng chính:

•. Dung lượng định mức của lò:

Số tấn kim loại lỏng trong một mẻ nấu

•. Công suất định mức của máy biến áp

4. Đặc điểm:

Ảnh hưởng trực tiếp đến lưới điện, mỗi khi khởi động

cần công suất và điện áp lớn

Chu trình hoạt động lò hồ quang

1. Giai đoạn nung nóng và nấu chảy kim loại: Công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm 60-80% năng lượng toàn mẻ, thời gian chiếm từ 50-60% thời gian một chu trình

Hiện tượng ngắn mạch: Trong giai đoạn này cần đảm bảo công suất nấu chảy bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa các điện cực hoặc điện cực và kim

loại Khi điện cực chạm vào kim loại xẩy ra hiện tượng ngắn mạch làm việc, gây nên sự mất ổn định của dòng hồ quang và tổn hao công suất

Hiện tượng mồi: Khi ngọn lửa hồ quang bị suy giảm hoặc bị phá hủy, phải tiến hành mồi lại bằng cách hạ điện cực xuống cho chạm vào kim loại rồi nâng

lên để tạo hồ quang

2 Giai đoạn oxy hóa, hoàn nguyên tinh luyện và tu sửa:

Khử C, P, S, O trong kim loại Yêu cầu giữ ổn định hồ quang

Đặc tính V-A của hồ quang điện:

Yêu cầu điều chỉnh của lò hồ quang

Các lò hồ quang đều có bộ điều chỉnh tự động việc dịch chuyển các điện cực vì nó cho phép giảm thời gian nấu luyện, nâng cao năng suất lò v v Điều chỉnh công suất của lò HQ có thể thực hiện bằng cách thay đổi điện áp ra của BAL bằng cách dịch chuyển điện cực để thay đổi chiều dài của ngọn lửa HQ và như vậy sẽ thay đổi được điện áp HQ, dòng điện HQ và công suất tác dụng của HQ

• Nếu điều khiển Ihq = const: sẽ không mồi HQ được, điều khiển không chính xác khi mất 1 trong 3 pha (dùng cho lò HQ 1 pha chân không)

• Nếu điều khiển Uhq = const: việc đo sẽ gặp khó khăn (thực tế sẽ đo hiệu điện thế giữa thân lò và thanh cái thứ cấp của BAL) Mất 1 trong 3 pha điều khiển không chính xác

Phương pháp tốt nhất là điều chỉnh: thông qua hiệu số giữa tính hiệu dòng và áp: với a,b là các hệ số đo lường của thiết bị đo

Suy ra: nên việc điều chỉnh tổng trở HQ bằng cách điều chỉnh độ lệch so với giá trị đặt

Phương pháp này dễ mồi HQ, duy trì được công suất, ít chịu ảnh hưởng của dao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha  

*

hq hq

bI

−

= ∆

Các yêu cầu chính của lò hồ quang

Sơ đồ điều chỉnh dịch cực lò điện HQ bằng Thyristor

Giới thiệu lò cảm ứng

1. Định nghĩa: Lò cảm ứng (hay lò tần số) là dựa vào hiện tượng CƯĐT, khi đặt khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên thì trong khối kim loại sẽ xuất hiện dòng điện xoáy Foucault Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại

2. Phân loại:

Theo tần số làm việc của lò ta có thể chia làm ba loại:

•. Lò cảm ứng tần số công nghiệp f = 50Hz ( hoặc 60Hz ):

- Nhiệt cung cấp cho lò phụ thuộc chủ yếu vào cường độ dòng điện chạy qua cuộn cảm ứng và hiệu điện áp đặt vào 2 đầu cuộn cảm ứng

- tăng cường độ dòng điện có giới hạn nhất định Nếu tăng dòng điện quá lớn thì phải tang tiết diện dây dẫn, tăng độ dẫn điện và tăng công suất máy biến áp lò

- Lò cảm ứng tần số công nghiệp việc cung cấp nhiệt cho lò là rất chậm, dẫn đến thời gian nấu luyện kéo dài

- Thích hợp để nấu luyện các mác thép cacbon cao, nấu luyện kim loại màu, kim loại hoặc hợp kim dễ chảy

- lượng nhiệt cung cấp cho liệu kim loại không thay đổi theo tần số vì f = 50 Hz

- Thiết bị lò này rất đơn giản rẻ tiền, dễ thiết kế, xây dựng vì không cần thiết bị biến đổi tần số Nhưng trái lại vì tần số làm việc thấp nên phải

có dung lượng tụ bù cosφ rất lớn, phải ghép song song nhiều tụ dẫn đến giá thành cao, đặc biệt tổn hao điện năng trong các tụ rất lớn

Giới thiệu lò cảm ứng

Phân loại:

Theo tần số làm việc của lò ta có thể chia làm ba loại:

• Lò cảm ứng tần số công nghiệp f = 50Hz ( hoặc 60Hz ):

• lò cảm ứng trung tần f =1000 ÷ 3000Hz:

Nhiệt lượng cung cấp cho lò để nấu chảy kim loại với tốc độ nhanh, thích hợp cho việc nấu luyện các mác thép cacbon hoặc các mác thép hợp kim trung bình và cao Thiết bị biến đổi tần số của lò có thể sử dụng máy phát tần số kiểu quay hoặc dùng tiristor điều khiển Ở nước ta hiện nay sử dụng phỏ biến các loại lò cảm ứng trung tần 1000 ÷ 2000 Hz do Trung Quốc, CHLB Nga và vương quốc Anh chế tạo để nấu các mác thép hợp kim cao cấp

• Lò cảm ứng cao tần f = 35.000 ÷ 74.000Hz:

Nhiệt cung cấp cho lò với tốc độ rất nhanh, vì tần số làm việc rất cao nên cảm ứng điện từ sinh ra trong cuộn cảm ứng lò sẽ rất lớn Do đó nhiệt cung cấp cho lò để nấu chảy kim loại là nhanh nhất Việc cung cấp nhiệt nhanh như vậy phù hợp với các công nghệ tôi các chi tiết dụng cụ máy và nấu luyện các mác thép có nhiệt độ chảy cao Công việc tôi và nấu luyện thép phụ thuộc hoàn toàn vào tần số làm việc

Cơ sở lý thuyết lò cảm ứng

Lò điện cảm ứng ra đời dựa trên nguyên lý của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ Cơ sở của lò điện cảm ứng là năng lượng điện biến thành nhiệt năng dưới dạng cảm ứng điện từ Theo đinh luật Jun – Lenxơ ta có:

Trong đó:

I: là cường độ của dòng điện ,A

R: là điện trở của kim loại, Ω

T: là thời gian tác dụng, s

Tuy nhiên khi nấu luyện thì nhiệt độ, thời gian thay đổi nên điện trở của kim loại cũng thay đổi theo nhiệt độ và thời gian Vì vậy công suất cấp vào lò là không cố định và phụ thuộc vào giai đoạn nấu luyện, công nghệ nấu và mác thép khác nhau mà chúng ta thay đổi công suất điện vào lò sao cho hợp lý

Lò điện cảm ứng làm việc trên nguyên lý của một máy biến áp lõi không khí Cuộn cảm được coi như cuộn sơ cấp, còn liệu kim loại chứa trong nồi lò được coi như cuộn thứ cấp

Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn cảm ứng thì sẽ sinh ra từ thông biến thiên Từ thông qua kim loại sinh ra một sức điện động (sđđ) cảm ứng Kim loại ở đây coi như một cuôn dây khép kín và thẳng góc với từ thông biến thiên Xuất hiện trong kim loại một dòng điện cảm ứng và năng lượng của dòng điện cảm ứng sinh ra một nhiệt lượng lớn để nung chảy kim loại theo công thức:

Cơ sở lý thuyết lò cảm ứng

Trong đó :

n1, I1 : gọi là ampe vòng mm.A ) ;

d : đướng kính nồi lò chứa liệu kim loại ( mm ) ;

h : chiều cao nồi lò ( mm ) ;

ρ : điện trở suất của kim loại ( ) ;

μ : hệ số từ thẩm của kim loại;

f : tần số làm việc ( Hz )

Qua công thức trên chúng ta thấy lượng nhiệt cung cấp cho lò tỷ lệ thuận với bình phương ampe vòng Như vậy lượng nhiệt này phụ thuộc vào số

vòng của cuộn dây sơ cấp n1, cường độ dòng điện cảm ứng I1 và tần số làm việc.

Cấu trúc của hệ thống lò cảm ứng

Lò trung tần bao gồm các phần tử cơ bản sau: biến tần, hệ thống tụ cộng hưởng, nồi nấu (khung lò chứa vòng cảm ứng), động cơ quay lò, các thiết bị đóng cắt và bảo vệ (dao cắt, aptomat…), hệ thống làm mát bằng nước, cáp nguồn, dây dẫn trung tần…

Sơ đồ nguyên lý mạch lực:

Khảo sát lò trung tần 12T

1. Tủ máy cắt đầu vào: Máy cắt 35kV là loại máy cắt dầu JYN1-35 của ALSTOM với các thông số: Uđm: 36kV; Iđm: 630-1250A; Icắtđm: 20kA;Iôđ: 40kA

có giá 25000$/1 máy

2. Biến áp nguồn: Nhà máy sử dụng hai trạm biến áp 35/1KV có công suất mỗi cái là 8000KVA có nhiệm vụ biến điện áp từ 35kV xuống 1kV để cung

cấp cho tủ động lực điều khiển

3. Bộ chỉnh lưu: Biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 0,95kV thành điện áp 1chiều Udc = 1350V, Idc = 3000A Ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha Thyistor

gồm 6 Thyristor loại KP 3000A/3500V, làm mát cưỡng bức bằng nước

Trong đó:

 

1 Thyristor chỉnh lưu KP.

2 Đi n trơ Shunt ê

3 Thyristor nghịch lưu KK.

4 Cu n khang đâu ra nghịch lưu ô

5 Ống nước làm mat.

6 Thanh cai m t pha ô

7 Thanh cai 3 pha

8 Cu n khang đâu vào chỉnh lưu ô

9 Câu chi bao v van chỉnh lưu ê

Khảo sát lò trung tần 12T

4 Cuộn kháng lọc san bằng:

Có tác dụng san bằng điện áp chỉnh lưu

5 Điện trở Shunt (Rs):

Dùng để lấy phản hồi điện áp một chiều về mạch điều khiển phục vụ đo lường

điều khiển

6. Hệ thống tụ bù:

Lò trung tần hoạt động theo nguyên lý cảm ứng, do đó giá trị điện cảm của vòng

cảm ứng là rất lớn so với điện trở, tương ứng công suất phản kháng tiêu thụ rất

lớn so với công suất hữu ích, hệ số công suất cosφ của vòng cảm ứng bé Hệ

thống tụ vừa có tác dụng bù công suất phản kháng, nâng cao cosφ, vừa có tác

dụng khuếch đại tín hiệu dòng, áp ra khỏi nghịch lưu cung cấp cho lò Các tụ này

phải là các tụ chịu được điện áp cao (tới 1000V) và tần số cao (tới 10kHz)

Khảo sát lò trung tần 12T

6. Hệ thống tụ bù: - Bù cos phi & - khuếch đại dòng và áp ra khỏi nghịch lưu cung cấp cho lò.

mắc thành mạch L-C cộng hưởng: Điểm làm việc ở chế độ cộng hưởng hoặc gần cộng hương

Cộng hưởng nối tiếp: cộng hưởng điện áp – dòng điện cực đại gây nên sụt áp trên tụ và cuộn cảm

rất lớn nên ít sử dụng, nếu có thì phải có mạch hạn chế dòng cộng hưởng

Cộng hưởng song song: cộng hưởng dòng điện nên dòng tiêu thụ nhỏ do IL gần như ngược pha với

IC

Cộng hưởng hỗn hợp: Hay được sử dụng, đảm bảo được sự cân đối và hợp lý trong điều chỉnh

dòng và áp, dòng điện không quá cao mà điện áp không quá thấp

Khảo sát lò trung tần 12T

6. Hệ thống tụ bù: H thống tụ công hưởng của nhà máy bao gồm 36 tụ, mỗi tụ có dung lượng 2000kVAr, đi n áp 1600V, tần số làm vi c 500 Hz.ê ê ê

Điện áp ra khỏi nghịch lưu có giá trị khoảng 2000V ( đo tại điểm 1-2 ), dòng điện khoảng 3000A Sau khi qua mạch cộng hưởng có điện áp vào lò khoảng 4000V ( đo tại điểm 1-3 ) và dòng điện vào lò 27000A Tần số cộng hưởng của mạch dao động:

Trong đó:

– tân số góc của dòng điện cộng hương, [rad].

– tân số nguồn trung tân,

L – điện cam vòng cam ứng, [H].

C – điện dung tụ cộng hương, [F].

Khảo sát lò trung tần 12T

7. Nồi lò: Nồi lò gồm 3 lớp cơ bản,

trong cùng là lớp chịu lửa,

tiếp theo là lớp cách nhiệt,

ngoài cùng là lớp cách điện

tiếp giáp với vòng cảm ứng

8. Mạch điều khiển:

Toàn bộ quá trình điều khiển đóng mở van, điều chỉnh góc mở van

được tích hợp trên mạch điều khiển chính Toàn bộ các tín hiệu phản

hồi dòng, áp … đều được đưa về mạch điều khiển để phục vụ công

tác đo lường điều khiển và bảo vệ Trung tâm điều khiển cho toàn b ô

các quá trình hoạt đ ng của lò chính là IC ASIC - 2ô

Biến tần sử dụng cho lò cảm ứng

1. Biến tần nguồn dòng:

Ưu điểm:

- Biến tần nguồn dòng không sợ chế đ ngắn mạch vì h thống giữ dòng không đổi nhờ chỉnh lưu có điều khiển và cu n kháng trong mạch m t chiều.ô ê ô ô

- Biến tần nguồn dòng có khả năng trả năng lượng về lưới khi làm vi c ở chế đ nghịch lưu phụ thu c.ê ô ô

Nhược điểm:

-. Biến tần nguồn dòng không có khả năng làm vi c ở chế đ không tải vì nếu Rê ô t → ∞ thì Ut → ∞ và id → ∞ Thực tế khi Rt lớn vô cùng thì đi n áp trên tải ê cũng tiến đến giá trị rất lớn, do đó quá trình chuyển mạch không thể thực hi n được, cũng như không có thiết bị bán dẫn nào chịu đựng nổi quá đi n ê ê

áp lớn như v y.â

-. H số công suất cosφ của b biến tần nguồn dòng thấp, do đó phải sử dụng h thống tụ bù.ê ô ê

T7

T8

G3

Ld

A B C

i d

i d

i d

i d C

L t

R t a

b

Biến tần sử dụng cho lò cảm ứng

1. Biến tần nguồn áp:

Biến tần nguồn áp trong thực tế được sử dụng khá phổ biến M t khác đi n áp ra của nghịch lưu áp có thể được điều chế theo nhiều phương pháp khác ă ê nhau để có thể giảm được sóng điều hòa b c cao Trước đây b biến tần nguồn áp thường bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van đ ng lực điều â ô ô khiển hoàn toàn còn nhỏ, m t khác vi c sử dụng Thyristor trong b biến tần này khiến cho hi u suất của nó giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp Ngày nay do sự ă ê ô ê tiến b vượt b c của công ngh bán dẫn mà công suất các van đ ng lực như: IGBT, GTO… ngày càng trở lên lớn hơn và có kích thước gọn nhe hơn Do đó vi c ô â ê ô ê chế tạo các b biến tần nguồn áp ngày càng đơn giản hơn và biến tần nguồn áp trở thành b biến đổi thông dụng trong công nghi p.ô ô ê

R

A B C

i d

T9

T7

T10

T8 D1

D4

D3

D2

C K

Lt

Rt Un

i t

K T0

C0