Đồ án nghiên cứu ứng dụng PLC s7 200 và biến tần simens vào quá trình nâng hạ điện cực lò hồ quang

Phía thứ cấp cũng có các máy biến dòng 2TI nối với các ampe kế do dòng hồ quang, cuộn dòng điện của bộ điều chỉnh tự động và Rơle dòng điện cực... Tổn hao công suất mạch ngắn Pmn = I2 m

Lời nói đầu

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, ngành côngnghiệp luyện kim đóng một vai trò đặc biệt quan trọng Hiện tại ở Việt Nam,trong công nghiệp luyện kim phương pháp luyện thép bằng lò hồ quang đượcdùng tương đối phổ biến, với ưu điểm cơ bản là đơn giản, tiện lợi, dễ điềuchỉnh để tạo ra mác thép mong muốn

Là một kỹ sư tương lai, em luôn xác định rõ trách nhiệm học tập củamình về kiến thức và kinh nghiệm để sau này có thể góp phần thúc đẩy sựphát triển nền công nghiệp nước nhà tiến gần đến các nền công nghiệp tiêntiến của các nước trên thế giới Sau 5 năm học tập và nghiên cứu tại trường,

em được nhận đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu ứng dụng PLC S7-200 và biến tần Simens vào quá trình nâng hạ địên cực lò hồ quang".

Qua thời gian tìm tòi nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của

thầy NGUYỄN VĨNH THỤY cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn tự động

hoá, em đó hoàn thành đề tài được giao

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên trong đồ án này không tránhkhỏi những thiếu sót, em mong được các thầy, cô và các bạn đóng góp ý kiến

để đề tài được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄNVĨNH THỤY các thầy cô trong bộ môn đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành

đồ án được giao

Thái nguyên 09/11 /2010

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN VĂN KHƯƠNG

PHẦN I:

GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU TRANG BỊ ĐIỆN

CHO LÒ HỒ QUANG

A GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LÒ HỒ QUANG.

I KHÁI NIỆM CHUNG VÀ PHÂN LOẠI LÒ HỒ QUANG

+Theo đặc điểm chất liệu vào lò:

- Lò chất liệu trên đỉnh lò xuống nhờ gầu chất liệu, loại lò này có cơ cấunâng ván nóc

+ Theo số tấn thép được luyện (theo dung lượng định mức của lò): 0,5; 1,5; 3; 5; 12 tấn.

+ Theo dung dịch nấu luyện: Lò axit, lò bazơ

+ Theo tính chất nấu luyện: Lò hồ quang chân không, lò hồ quang plasma

II- CẤU TẠO CỦA LÒ HỒ QUANG:

* Thiết bị cơ khí lò điện hồ quang:

1 Vỏ lò:

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 vật liệu chịu lửa, vỏ thân lòthường có dạng hình trụ hình côn hoặc phối hợp trụ côn, đáy vỏ lò có thể làhình cầu, hình thang

2 Cửa lò:

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

3 Cặp điện cực:

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.

5 Máng rót thép: dùng để đưa thép ra ngoài.

6 Vành làm chặt: Để làm giảm khe hở giữa điện cực và lắp lò.

7 Thiết bị nghiêng lò: Tuỳ theo dung lượng lò mà chọn kiểu nghiêng lò cho

thích hợp, đảm bảo nghiêng lò 40 ¸ 450 về phía rót thép và 10 ¸ 150 về phíacào 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 đắy: 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

khó khăn, phức tạp Tất cả các lò có dung tích trung bình và lớn đều có cơ cấunghiêng 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 điệncực của 3 pha Khi động cơ quay sẽ làm cho tang 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 củađiện cực luôn lớn hơn tốc độ xuống Tuỳ theo loại lò mà tốc độ lên và xuốngcủa điện cực cũng khác nhau:

Đối với lò lớn: Vlên=1¸1,5 m/p’

Vxuống=0,5 ¸ 0,8 m/p’

Đối với lò nhỏ: Vlên=1,5¸2 m/p’

Vxuống=1,2 ¸ 1,5 m/p’

* 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 chiềucao nhất định nên ảnh hưởng đến sự làm việc chung của cần trục trong phânxưởng

+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

Trong đồ án này em thiết kế lò hồ quang dùng thiết bị nâng hạ điện cựckiểu bàn trượt với sự dẫn động bằng động cơ điện

9 Cơ cấu làm mát cho lò:

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

10 Ngoài ra đối với lò hồ quang nạp liệu từ trên cao con 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 cóchênh nhiệt độ theo độ cao (khoảng 1000C/m) trong điều kiện đó để tăngcường phản ứng của kim loại và để đảm bảo khả năng nung nóng kim loạitrước 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 lòdung lượng trung bình(12 ¸ 50)T và đặc biệt lớn(100T và hơn) thì thực hiệnbằng thiết bị khuấy để không những giảm lao động vất vả của thợ nấu mà cònnâng cao được chất lượng của kim loại nấu Thiết bị khuấy trộn kim loại lỏngthường là thiết bị điện từ có nguyên lý làm việc tương tự như động cơ khôngđồng bộ Rôto lồng sóc

III CHẾ ĐỘ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN LÀM VIỆC CỦA LÒ HỒ QUANG.

Năng suất lò hồ quang và chi phí năng lượng điện cho một tấn thép ở mộtmức độ lớn phụ thuộc vào việc định ra chế độ điện trong quá trình nấu luyện,chế độ điện hợp lý thì quá trình nấu luyện sẽ kinh tế Chế độ điện hợp lý cóliên quan đến chế độ nhiệt hợp lý Trong quá trình nấu luyện chế độ nhiệt ởcác thời kỳ khác nhau do đó chế độ điện cũng khác nhau

* Yêu cầu công suất điện trong quá trình nấu luyện.

1.Thời kỳ nấu chảy.

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

Pmax = (1,25¸ 1,3) Ptb với Ptb : là công suất trung bình, Ptb = (0,7¸0,75)Pđm

Khi mới cho điện vào lò hồ quang cháy trên mặt liệu rắn gần nắp lò Chonên ở đầu thời kỳ nấu chảy ( 5 ¸ 10)phút nên dùng công suất nhỏ hơn côngsuất cực đại, sau khi liệu đã bắt đầu chảy thành 3 hố, mới cho phép tăngdần đến giá trị cực đại Cuối thời kỳ nấu chảy, công suất giảm dần xuốngbằng giá trị trung bình

Đồ thị P(t):

Hoàn nguyên

Đồ thị công suất hữu công tiêu thụ ở lò HQ

2 Thời kỳ oxy hóa:

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

3 Thời kỳ hoàn nguyên

P(MW)

Nấu chảy

Ô xi hóa

Tu sửa vệ sinh

t(h)

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

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

IV LUYỆN THÉP TRONG LÒ HỒ QUANG.

Vật liệu và chuẩn bị nguyên vật liệu cho mẻ luyện:

Nguyên vật liệu: Nguyên vật liệu chính để sản xuất thép lò điện là sắt thépvụn, 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

1.Sắt thép vụn.

- 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

2 Phế liệu hợp kim.

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 hợpkim cao Do giá thành của sắt công nghiệp cao hơn sắt thép vụn bình thườngnên người ta dùng để luyện những loại thép phổ thông

4 Gang:

Gang trong luyện thép lò điện làm nhiệm vụ tăng hàm lượng sắt và hàmlượng cacbon Ngoài ra do gang có nhiệt độ chảy thấp ( 1250 ¸ 13000c) Nên

gang trong lò điện còn làm nhiệm vụ giúp cho các chất khó chảy khác ( thépvụn) trở nên dễ chảy hơn.

5 Chất tạo xỉ.

Để tạo xỉ trong lò điện hay dùng các chất tạo xỉ sau:

khử P và S Đá vôi có thể cho vào ở thời kỳ nấu chảy, thời kỳ oxy hóa, và cảthời kỳ hoàn nguyên, lượng cho vào tuỳ thuộc qúa trình công nghệ Dùng đávôi 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

làm vật liệu tạo xỉ khi luyện thép không gỉ, để làm loãng xỉ manhezit mà nóđược mang vào khi vá lò

6 Chất oxy hóa:

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 oxyhóa, nhằm mục đích tăng tốc độ khử phôt pho, cacbon, silic và Mangan do đórút 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 dùngkhoảng 40¸ 50 kg/ 1tấn thép Yêu cầu đối với quặng sắt phải có hàm lượng

có ưu điểm là sắt lắng xâu vào lòng kim và oxy ngay trong lòng kim loại giúpcho kim loại sôi mạnh, dùng quặng sắt rất kinh tế vì nó rất rẻ mà tăng đượclượng sắt Dùng quặng sắt có nhược điểm là lượng xỉ nhiều vì trong quặng sắtngoài oxit sắt ra còn có SiO2, Al2O3 và MnO Do đó tốn vôi để tạo xỉ, nănglượng điện lớn, công nhân làm việc vất vả nhất là khi cào xỉ Đồng thời khicho 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 20 m3/ h, áp suất 9¸ 12 at, độ nguyên chất 99,8%

7.Chất khử oxy:

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 dùngbột 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

B HỆ THỐNG ĐIỆN CHO LÒ HỒ QUANG

Điện cực than và điện cực grafit Điện cực than dùng cho lò lớn.

Trong quá trình làm việc điện cực thường bị mòn do bị oxy hóa bởi khí lò vàbay hơi do sự cháy của hồ quang do đó điện cực ngắn dần nên cần phải nốiđiện cực bằng ren

3 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

4 Kích thước của điện cực:

Đối với lò nhỏ đường kính điện cực: d=200 ¸ 300mm

Đối với lò trung bình đường kính điện cực: d=400 ¸ 500mm

Đối với lò lớn đường kính điện cực: d=500 ¸ 600mm

Chiều dài của điện cực phụ thuộc vào chiều cao của lò Đường kính củađiện cực được xác định theo công thức sau:

d =

k

I  406 ,

cm

II HỒ QUANG ĐIỆN.

-Sự gián đọan của hồ quang: Hồ quang có thể sinh ra từ dòng điện mộtchiều và xoay chiều, nhưng trong lò điện luyện thép hầu hết đều dùng dòngđiện xoay chiều Đối vời nguồn xoay chiều do điện áp biến thiên hình sin nênlàm cho hồ quang bị gián đoạn

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

III GIỚI THIỆU MẠCH LỰC LÒ HỒ QUANG

Trong phân xưởng luyện thép lò điện thường có một biến thế riêng có điện

áp vào là 6, 10, 35KV tuỳ theo công suất của lò mà điện thế của lò 100 ¸600V và cường độ dòng điện có thể lên tới 10KA

- Điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới (2,5 ¸ 4)Iđm

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

Sơ đồ thiết bị của mạch lực lò hồ quang:

v

w TU

KWh

A A

- Có khả năng quá tải.

- Phải làm mát tốt vì dòng rất lớn, hay xẩy ra ngắn mạch, biến thế đặt ở nơikín lại ở gần lò

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

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 lượngcủa phản ứng toả nhiệt thì công suất biến thế lò có thể xác định bởi biểu thứcsau:

SBTL = Tnc .Ksd W.cos (KVA)

Trong đó: Tnc là thời gian nấu chảy (từ lúc dừng lò, giờ)

Ksd là hệ số sử dụng công suất biến thế lò trong giai đoạn nấu chảy

cos là hệ số công suất của thiết bị lò hồ quang

W là năng lượng hữu ích và tổn hao nhiệt trong thời kỳ nấu chảy và dừng

lò giữa 2 mẻ nấu (KWh) W = w.G

G là khối lượng kim loại nấu (T)

w là suất chi phí điện năng để nấu chảy (KWh/T), suất chi phí điện nănggiảm 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 chođến khi kết thúc việc nấu chảy Thường thì thời gian này từ 1 ¸ 3h tuỳ theodung lượng của lò

Hệ số sử dụng công suất biến thế lò thường là 0,8 ¸ 0,9 gây ra do sử dụngkhông 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 Hiệnnay công suất biến thế lò ngày càng tăng vì nó cho phép giảm thời gian nấuchảy, giảm suất chi phí do hạ tổn hao nhiệt Năng suất của lò phụ thuộc vàodung lượng biến thế lò, giá trị công suất danh nghĩa (dung lượng biến thế) của

lò điện hồ quang theo GOCT 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

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

2 Thiết bị đóng cắt đo lường và bảo vệ:

a Thiết bị đóng cắt:

Cầu dao cách li CL dùng phân cách mạch động lực của lò với lưới khi cần thiết, chẳng hạn lúc sửa chữa Máy cắt 1MC dùng để bảo vệ lò hồ quang khỏi ngắn mạch sự cố Nó được chỉnh định để không tác động khi ngắn mạch làm việc Máy cắt 1 MC cũng dùng để đóng và cắt mạch lực dưới tải, máy cắt 2MC để đóng và cắt cuộn kháng, 3MC và 4MC dùng để thay đổi nối cuộn sơ cấp MBA để điều chỉnh điện áp

b Thiết bị đo lường và bảo vệ:

Để lấy tín hiệu từ lưới người ta dùng biến dòng 1TI,,biếnáp Tu Phía sơcấp BAL có đặt Rơle dòng điện cực đại để tác động lên cuận cắt máy cắt1MC Rơle này có duy trì thời gian, thời gian duy trì này giảm khi bội số quátải dòng tăng Nhờ vậy 1MC cắt mạch lực của lò hồ quang, chỉ khi có ngắnmạch sự cố và khi ngắn mạch làm việc kéo dài mà không xử lí được Vớingắn mạch làm việc trong 1 thời gian tương đối ngắn, 1MC không cắt mạch

mà chỉ có tín hiệu đèn và chuông Phía sơ cấp BAL còn có các dụng cụ đolường, kiểm tra như: vôn kế, ampe kế, công tơ điện

Phía thứ cấp cũng có các máy biến dòng 2TI nối với các ampe kế do dòng

hồ quang, cuộn dòng điện của bộ điều chỉnh tự động và Rơle dòng điện cực

có ngắn mạch thời gian ngắn bộ điều chỉnh làm giảm dòng điện của lò chỉ sauthời gian duy trì của Rơle Nhiều khí cụ điều khiển, kiểm tra và bảo vệ khác(trong khối điều khiển bảo vệ) cũng được nối với máy biến điện áp Tu và cácmáy biến dòng 1TI và 2TI.

3 Cuộn điện kháng (K):

Cuộn điện kháng được mắc phía cao thế trước biến thế lò, với mục đíchlàm cho hồ quang cháy bền hạn chế sự thay đổi đột ngột khi chập mạch Cuộnđiện kháng dùng để hạn chế dòng ngắn mạch khi làm việc không ảnh hưởngđến lưới Cuộn điện kháng khác với biến thế lò là chỉ có cuộn dây sơ cấpkhông có cuộn thứ cấp

Điện kháng của cuộn điện kháng rất lớn so với điện trở của nó, do đó khi dòng điện qua cuộn điện kháng tổn thất một năng lượng đáng kể do đó người

ta nối cuộn điện kháng song song với máy cắt 2MC Khi không cần thiết 2MC

sẽ cắt mạch dòng điện qua cuộn điện kháng Khi bắt đầu nấu luyện hay xẩy rangắn mạch làm việc, Lúc ngắn mạch làm việc máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng tham gia vào mạch, hạn chế dòng ngắn mạch Khi liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệt lớn để nấu luyện, 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng K

ở thời kỳ hoàn nguyên công suất lò yêu cầu ít hơn thì 2MC lại mở ra để đưa cuộn kháng K vào mạch, làm giảm công suất cấp cho lò Với những lò hồ quang công suất lớn hơn nhiều thì không có cuộn kháng K Việc ổn định

hồ quang và hạn chế dòng ngắn mạch là việc do các phần tử cảm kháng của sơ đồ lò đảm nhiệm Thực tế cuộn điện kháng làm việc rất ít, khoảng 10¸ 15 phút đầu của thời kỳ nấu chảy liệu

4 Bộ phận chuyển đổi điện thế (3 MC, 4MC):

Bộ phận chuyển đổi điện thế để điều chỉnh công suất biến thế lò cho phùhợp với các thời kỳ nấu luyện Nhìn chung có thể chia quá trình nấu luyện ralàm 2 thời kỳ dựa trên mức độ yêu cầu năng lượng điện khác nhau:

Thời kỳ nấu chảy liệu rắn cần lượng nhiệt lớn để nấu chảy liệu và dữ nhiệt

với mục đích chủ yếu là giữ nhiệt độ kim loại không bị giảm và nấu chảy cácvật liệu phụ.

Xuất phát từ yêu cầu đó cần thay đổi lượng nhiệt bằng cách thay đổi côngsuất biến thế lò

Công suất của mạch 3 pha được tính như sau:

P = 3.U.I.Cos

Giảm công suất có thể là giảm dòng điện khi điện áp không đổi hoặc giảmđiện áp khi dòng điện không đổi Điện thế được thay đổi trong từng thời kỳ nhưsau

-Thời kỳ nấu chảy U = 240 ¸ 420V

-Thời kỳ oxy hóa U = 160 ¸ 300V

-Thời kỳ hoàn nguyên U = 110 ¸ 140V(Giá trị lớn được dùng cho lò lớnhơn), mức cao của điện thế trong thời gian nấu chảy có lợi: Giảm thời giannấu luyện, nâng cao hiệu suất điện,Cos Khi đó sẽ cho phép giảm đườngkính của điện cực

Điện thế thứ cấp được thay đổi bằng cách thay đổi cuộn dây sơ cấp, sựchuyển đổi cuộn dây sơ cấp từ tam giác sang sao cho phép giảm điện thế thứcấp xuống 3 lần và như vậy công suất cũng giảm 3 lần

5 Mạch ngắn.

Mạch ngắn là dây dẫn dòng điện từ cuộn dây thứ cấp của máy biến thế lòđến điện cực, nó có dòng điện làm việc rất lớn tới hàng trăm nghìn A

Tổn hao công suất mạch ngắn Pmn = I2

mn .rmn đạt tới 70% toàn bộ tổn haotrong toàn bộ thiết bị lò hồ quang, do vậy yêu cầu cơ bản của mạch ngắn làphải ngắn nhất trong điều kiện có thể (biến thế lò phải đặt rất gần lò) để giảmbớt tổn hao, đồng thời mạch ngắn được ghép từ các tấm đồng lá thành cácthanh mềm để có thể uốn dẻo lên xuống các điện cực

Có thể chia mạch ngắn ra làm 3 phần như sau:

-Thanh dẫn từ máy biến thế lò đến dây dẫn ở sau tường của phòng đặt máy

-Dây cáp mềm từ tường đến ống mềm của bộ phận điện cực.

-Thanh dẫn điện từ cuối đoạn cáp mềm đến vành ôm điện cực

-Phần dây cáp mềm rất cần thiết khi nghiêng lò và nâng hạ điện cực, chiềudài của đoạn này làm sao có thể đảm bảo ngiêng lò 450 để rót thép

Ngoài ra mạch ngắn còn phải đảm bảo sự cân bằng rmn và xmn giữa các pha

để có các thông số điện (công suất, điện áp,dòng điện) như nhau của các hồquang Khi 3 pha mạch ngắn phân bố đối xứng thì hỗ cảm giữa 2 pha bất kỳ

sẽ bằng nhau và sức điện động hỗ cảm sẽ bằng không Trường hợp nếukhoảng cách giữa các pha không như nhau, hỗ cảm giữa các pha sẽ khácnhau, trong một pha nào đó sẽ suất hiện một sức điện động phụ ngược chiềudòng điện trong pha đó và tạo ra một sụt áp phụ trên điện trở thuần pha đó.Kết quả là pha này như thể tăng điện trở tác dụng, gây ra một tổn hao côngsuất phụ và công suất hồ quang của pha này sẽ giảm so với pha khác Đồngthời ở một pha khác sức điện động phụ lại cùng chiều với dòng điện của pha,điện trở tác dụng như bị giảm và công suất hồ quang của pha này tăng nên.Hiện tượng trên gây ra sự mất đối xứng về điện áp giữa các hồ quang, sự phân

bố công suất không đồng đều giữa các pha, giảm hiệu suất lò và với lò côngsuất càng lớn thì sự mất đối xứng điện từ ở mạch ngắn sẽ càng lớn

Chống hiện tượng trên bằng cách phân bố đối xứng về mặt hình học và vềmặt điện từ của mạch ngắn và các điện cực đặt ở 3 đỉnh của một tam giác đều.Với lò dung lượng 10 tấn thì mạch ngắn được nối theo sơ đồ tam giác (hìnha).Thiếu sót của cách này là sự không đối xứng của các dây dẫn chuyển dòngtới các điện cực không được bù trừ

Sơ đồ mạch ngắn

Với các lò dung lượng lớn mạch ngắn thường được nối tam giác ở các điệncực (hình b) Hai bên mỗi cần giữ điện cực có đặt hai dây dẫn dòng pha cách điện nhau, ở sơ đồ này thì 2 pha có các dây dẫn dòng từ đầu đầu và đầu cuối tới 2 điện cực kề sát nhau tạo ra hệ 2 dây, còn pha thứ 3 dẫn dòng tới hai cần giữ ngoài cùng sẽ không có tính chất của hệ hai dây Tính không đối xứng củamạch ngắn đã giảm nhiều nhưng chưa hoàn toàn Sơ đồ (hình c) thực hiện dẫndòng hệ 2 dây cho cả 3 pha nhờ thêm cần phụ mang dây đầu cuối pha 3 tới điện cực 1 vòng qua điện cực 3 Cần đỡ phụ và cần đỡ điện cực 1 được dịch chuyển đồng bộ với nhau qua liên kết cơ học Sơ đồ này giảm tính không đối

6 Hệ thống nâng hạ điện cực:

Cơ cấu chấp hành (cơ cấu dịch cực) có thể truyền động bằng điện, cơ haythuỷ lực Trong cơ cấu điện cơ động cơ được dùng phổ biến là động cơ mộtchiều kích từ độc lập vì nó có mô men khởi động lớn dải điều chỉnh rộngbằng phẳng, dễ điều chỉnh và có thể dễ mở máy, đảo chiều, hãm Đôi khicũng dùng động cơ không đồng bộ có mô men quán tính của Roto nhỏ.Trongcác loại lò một pha với điện cực bố trí nằm ngang người ta thường điều chỉnhđiện cực bằng tay vì chế độ điện không thay đổi nhiều, công suất máy biếnthế bé, điện cực nhỏ Đối với những lò điện luyện thép 3 pha điện cực bố tríthẳng đứng, chế độ điện luôn thay đổi, hồ quang cháy mãnh liệt,công suấtmáy biến thế lò lớn, trong trường hợp này không điều chỉnh bằng tay được màphải được tự động điều chỉnh bằng máy riêng với độ chính xác cao

7 Một số thiết bị điện phụ khác

- Ngoài thiết bị chủ yếu như đã nêu và được vẽ ở hình thì trong lò điện còn

có các hệ thống điện cho các truyền động phụ phục vụ lò như: Truyền độngnghiêng lò, nâng nắp lò, bơm nước làm mát lò, các tủ điện động lực và điềukhiển, bàn điều khiển, hệ thống đèn báo nút bấm…

C CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI SƠ ĐỒ ĐIỀU CHỈNH

Các lò hồ quang nấu luyện kim loại đều có các bộ diều chỉnh luyện luyệnnâng cao năng xuất lò giảm suất chi phí năng lượng giảm thấp cacbon chokim loại, nâng cao chất lượng thép, giảm dao động công suất khi nấu chảy,cải thiện điều kiện lao động

Chất lượng thép nấu luyện phụ thuôc vào công suất cấp và sự phân bốnhiệt hay nhiệt độ trong nồi lò

Điều kiện công suất lò hồ quang có thể thực hiện bằng cách thay đổi điện

áp ra của BAL hoặc bằng sự dịch chuyển điện cực đã thay đổi chiều dài hồ

quang và như thế sẽ thay đổi được điện áp hồ quang, dòng hồ quang và côngsuất tác dụng của lò hồ quang.

II CHẾ ĐỘ BẢO VỆ CỦA LÒ HỒ QUANG

Trong quá trình nấu luyện lò hồ quang thường xẩy ra các sự cố:

- Ngắn mạch làm việc

- Ngắn mạch sự cố

- Mất hồ quang của 1, 2 hay 3 pha

- Khi xẩy ra sự cố yêu cầu công nghệ của lò phải được trang bị các thiết bịbảo vệ để tự loại trừ nhanh sự cố hoặc phải cắt điện cung cấp cho lò

1 Ngắn mạch làm việc:

Ngắn mạch làm việc thường xẩy ra trong giai đoạn nấu chẩy kim loại bởi

vì trong giai đoạn này có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của hồquang Chẳng hạn như khi nạp liệu vào lò thường có các khe hở nên khi kimloại chẩy xuống dưới đáy lò gây mất hồ quang do đó điện cực phải hạ xuống

để mồi lại hồ quang, khi mồi hồ quang sẽ gây ra hiện tượng ngắn mạch làmviệc trong giai đoạn này Khi xẩy ra ngắn mạch thì hệ thống phải tự loại trừ

sự cố mà không làm cho các thiết bị bảo vệ tác động, đồng thời phải duy trìđược hồ quang sau khi loại trừ được sự cố ngắn mạch làm việc, thời gian chophép của một lần ngắn mạch làm việc là từ 2¸3(s)

2 Ngắn mạch sự cố:

Ngắn mạch sự cố thường xẩy ra trong giai đoạn nung nóng liệu và nấuchảy kim loại Nguyên nhân chủ yếu là do sụt liệu, lúc này điện cực bị cácthỏi kim loại chèn vào gây ngắn mạch sự cố Khi xẩy ra hiện tượng ngắnmạch sự cố các khâu phản hồi trong mạch phải tác động nâng nhanh điện cựclên để loại trừ ngắn mạch sự cố Để đề phòng cho trường hợp điện cực bị kimloại chèn quá chặt, các khâu phản hồi đã tác động nhưng không nâng đượcđiện cực lên, trong hệ thống phải được đặt các dòng điện cực đại để tác động lên

trì thời gian Thời gian này giảm khi bội số quá tải dòng tăng, vì vậy hệ thống sẽngừng làm việc khi có ngắn mạch sự cố và khi có ngắn mạch làm việc kéo dài

mà không xử lý được

3 Mất điện trong khi làm việc:

- Trong lò hồ quang dùng hai loại điện cực là điện cực bằng than và bằnggrafit trong quá trình làm việc điện cực thường hay bị mòn do bị oxy hoá bởikhí lò và bay hơi do sự cháy của hố quang Do đó điện cực ngắn dần việc nàydẫn đến trường hợp điện cực của một pha nào đấy bị cụt gây mất một pha.Khi một pha bị mất thì dòng điện trong pha đó cũng thay đổi dẫn theo sự pháhuỷ hồ quang của các pha còn lại Điện cực của các pha còn lại đang ở vị tríchuẩn cũng có thể bị dịch chuyển Để đảm bảo chế độ làm việc của các phakhác thì mỗi pha cần một hệ thống dịch chuyển điện cực riêng

- Khi điện cực bị cụt gây ra hiện tượng mất pha, hệ thống được trang bịcác thiết bị để đo và kiểm tra đồng thời đưa tín hiệu này về cắt toàn bộ mạchlực của lò hồ quang, để tiến hành nối và tiến hành thay điện cực

III PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG

NÂNG HẠ ĐIỆN CỰC LÒ HỒ QUANG

Về nguyên tắc duy trì công suất lò hồ quang có thể thông qua việc duy trìmột trong các thông số sau:

Dòng điện hồ quang Ihq, điện áp hồ quang Uhq, tỉ số giữa điện áp và dòng

hồ quang Zhq=

hq

hq I U

Bộ điều chỉnh duy trì dòng hồ quang không đổi I

hq

= Const sẽ không mồi

hồ quang tự động được Ngoài ra dòng trong một pha nào đó thay đổi sẽ kéo

theo dòng của hai pha còn lại

Ví dụ khi hồ quang một pha bị đứt thì lò hồ quang làm việc như phụ tải

một pha và hai pha còn lại nối tiếp vào điện áp dây Lúc đó các bộ điều chỉnh

hai pha còn lại tiến hành hạ điện cực mặc dù không cần điều đó Các bộ điều

chỉnh loại này chỉ dùng cho 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, cuộn dây do được nối giữa thân kim loại và thanh

cái BAL Do vậy điện áp đo được phụ thuộc vào dòng tải và sự thay đổi dòng

của một pha sẻ ảnh hưởng tới hai pha còn lại

Phương pháp tốt nhất là dùng bộ điều chỉnh duy trì:

Zhồ quang=

hq

hq I

U

=const Thông qua hiệu số hiệu chỉnh dòng và áp:

a.Ihồ quang-b.Uhồ quang=b.Ihồ quang(Z0hồ quang-Zhồ quang) (*)

Trong đó: a và b là các hệ số các máy biến áp đo lường và điện trở điềuchỉnh trên mạch (thay đổi bằng tay khi chỉnh định)

Z0hồ quang và Zhồ quang giá trị đặt và giá trị tổng trở của hồ quang

Từ (*) suy ra

hq

hq hq

I b

U b I a

.



=Z0hồ quang-Zhồ quang=Zhồ quang

Vậy điều chỉnh thực hiện theo chế độ lệch của tổng trở hồ quang so với giátrị đặt Phương pháp này để mồi hồ quang, duy trì được công suất, ít chịu ảnh

các pha trong mỗi giai đoạn làm việc của lò hồ quang đòi hỏi công suất nhấtđịnh, mà công suất này lại phụ thuộc chiều dài ngọn lửa hồ quang Như vậyđiều chỉnh dịch điện cực là điều chỉnh chiều dài ngọn lửa hồ quang, do đóđiều chỉnh được công suất lò hồ quang Đó là nhiệm vụ chính của các bộ điềuchỉnh tự động dịch cực lò hồ quang.

IV CÁC YÊU CẦU ĐỀ RA CHO MỘT BỘ ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT

hồ quang lệch càng xa giá trị đặt thì tốc độ dịch cực càng phải nhanh

- Thời gian điều chỉnh ngắn

- 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 Yêucầu này càng cần thiết đối với lò hồ quang 3 pha không dây trung tính Chế độ

hồ quang của một pha nào đó bị phá huỷ sẽ dẫn theo phá huỷ chế độ hồ quangcác pha khác

Do vậy mỗi pha cần có thể điều chỉnh độc lập để sự làm việc của các phakhác

- Thay đổi công suất lò bằng phẳng theo giới hạn (20¸125)% trị số địnhmức và sai số không quá 5%

- Có thể chuyển đổi nhanh từ chế độ điều khiển tự đông sang chế độ điềukhiển bằng tay và ngược lại do phải thực hiện thao tác phụ bất kì nào đó

- Tự động mồi hồ quang khi bắt đầu làm việc và khi bị đứt hồ quang Khingắn mạch thì việc nâng điện cực lên không làm đứt hồ quang.

- Dừng mọi điện cực khi mất điện lưới

Phần II:

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

I-GIỚI THIỆU CHUNG:

Hiện nay đang còn song song sử dụng hai loaị hệ truyền động nâng hạ điệncực cho lò hồ quang đó là:

-Hệ thống sử dụng động cơ điện một chiều

-Hệ thống sử dụng động cơ xoay chiều

Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng Sau đây ta sẽ đi phân tích

để lựa chọn phương án hợp lý cho hệ thống

II- PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG NÂNG HẠ ĐIỆN CỰC LÒ HỒ QUANG

1 Phương án nâng hạ điện cực dùng động cơ một chiều (hệ T-D)

Sơ đồ này sử dụng bộ chỉnh lưu điều khiển dùng Tiristor mắc theo sơ đồ tia 3 pha mắc song song ngược

Sơ đồ nguyên lý một pha như hình vẽ (trang bên):

Sơ đồ nguyên lý một pha hệ T-D

Đ

4R 3VD

4VD 1R

KD

A

Giới thiệu sơ đồ:

BA1, BA2: các máy biến áp tín hiệu dòng áp hồ quang

CL1, Cl2: các chỉnh lưu đi ốt

KN: khối không nhạy

KĐ: khối khuếch đại :khuếch đại tín hiệu điều khiển

NĐK: nguồn điều khiển, đưa các tín hiệu điều khiển tới các khâu phátxung XP1, XP2 để điều chỉnh góc mở tiristor

Ng: Khối nguồn, nguồn nuôi cho khối khuếch đại

Ta thấy rằng tốc độ động cơ được quyết định bởi hiệu số của tín hiệu rakhối KN và tín hiệu phản hồi âm điện áp

Điốt ổn áp 4VD được đưa vào nhằm mục đích tạo chế độ rơ le trên đặctính (trên đoạn đặc tính động cơ quay theo chiều nâng điện cực)

Khi tín hiệu điện áp lấy trên BA1,BA2 tức là tín hiệu tỉ lệ với dòng điện vàđiện áp hồ quang được đưa vào các bộ khuếch đại chỉnh lưu CL1,CL2 màthay đổi ta có

Khi dòng hồ quang Ihq mà thay đổi (dòng điện hồ quang phía sơ cấp maybiến áp lò) Dẫn đến các tín hiệu trên thay đổi theo(tăng) do dòng hồ quangtăng Các tín hiệu này được đưa vào khối không nhạy và đưa sang khốikhuếch đại KĐ Khối khuếch đại sẽ khuếch đại lên và đưa sang khối nguồnđiều khiển NĐK Nguồn điều khiển sẽ tạo ra điện áp điều khiển đưa sang khốiphát xung XP1và làm cho góc mở thay đổi dẫn đến làm điện áp chỉnh lưutăng và dẫn đến động cơ quay thuận với tốc độ tăng dần và điện cực sẽ đượcnâng lên và dẫn đến dòng điện hồ quang lại được điều chỉnh giảm dần về giátrị định mức thì động cơ sẽ ngừng quay

Tương tự như trên khi dòng hồ quang giảm nhỏ hơn giá trị định mức lúc

đó tín hiệu điều khiển ở khối nguồn điều khiển sẽ làm cho khối phát xungXP2 làm việc và động cơ sẽ được điều khiển quay theo chiều ngược lại dẫnđến điện cực hạ dần xuống và dẫn đến dòng hồ quang tăng dần đến giá trịđịnh mức thì động cơ dừng

Khi xảy ra ngắn mạch làm việc thì khối nguồn điều khiển sẽ đưa ra mộttín hiệu điều khiển sang khối phát xung XP1 và dẫn đến điện áp ra của bộchỉnh lưu là lớn nhất và tốc độ động cơ là lớn nhất, do đó ngắn mạch làm việc

sẽ bị loại trừ nhanh

Đặc tính tĩnh của hệ thống được mô tả dưới đây:

Ở vùng thay đổi nhỏ của dòng điện hồ quang thì tốc độ nâng tỷ lệ với sốgia Ihq%( đoạn a1b1 ) ở vùng thay đổi lớn thì tốc độ nâng nhảy vọt, chế độ

rơ le đạt được nhờ ổn áp 4VD trong mạch phản hồi âm điện áp

Nhận xét :

*Ưu điểm:

- Hệ thống này đáp ứng đầy đủ các công nghệ lò hồ quang

- Có thể loại trừ nhanh sự cố ngắn mạch làm việc và đứt hồ quang Khiđứt hồ quang lò có thể tự mồi lại

- Không tác động khi có sai lệch nhỏ do đó loại trừ được hiện tượng quáđiều chỉnh

I

b2

a2 o

b1

a1 Nâng

-Vmax Vmax

Vcực

- Sau khi sai lệch bị trừ khử, tín hiệu sai lệch nhỏ hơn vùng không nhậy

sẽ không còn và dưới tác động của phản hồi sẽ xảy ra quá trình hãm điện(HTS)

*Nhược điểm:

Giá thành cao, hơn nữa động cơ một chiều lại không được sử dụng phổbiến Hệ thống này chỉ thích hợp với những lò nấu luyện thép chất lượng cao.Khi áp dụng cho các lò luyện mangan ,đất đèn, gang thì việc sử dụng hệ thốngtrên là không cần thiết

2 Phương án dùng động cơ xoay chiều:

Ta xét Hệ thống nâng hạ điện cực lò hồ quang dùng động cơ xoay chiều điều khiển bằng PLC ghép nối biến tần:

Sơ đồ khối của hệ thống như hình vẽ (trang bên):

SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH

KWh

A A A TI1

Nguyên lý làm việc của hệ thống:

Nguyên lý hoạt động của hệ thống nhờ sự điều khiển của PLC ghép nốibiến tần và nhờ hộp giảm tốc, dây cáp, con lăn, đối trọng…

Ta có quá trình nâng hạ điện cực như sau:

Khi than điện cực tiếp xúc vơi kim loại sẽ sinh ra hồ quang nhờ ngắn mạchgiữa điện cực và kim loại Tín hiệu dòng áp của hồ quang sẽ được qua bộchuyển đổi khuyếch đại rồi chuyển vào PLC xử lý, kết hợp với phần mềm vàcác luật điều khiển sẽ đưa tín hiệu sang biến tần và biền tần sẽ biến đổi tínhiệu và điều khiển động cơ sao cho thoả mãn công nghệ lò hồ quang

- Ưu điểm của hệ thống:

+ Thoả mãn mọi yêu cầu công nghệ lò hồ quang

+ Dễ dàng tự động hoá hoàn toàn

+ Làm việc chắc chắn an toàn

+ Khi thay đổi công nghệ chỉ cần thay đổi phần mềm

+ Lắp đặt chiếm ít không gian

- Nhược điểm:

+ Giá thành đầu tư ban đầu lớn nên chỉ phù hợp với quy mô sản xuất lớn

và cho công nghệ cao

3 Kêt luận:

Qua phân tích các phương án trên ta chọn hệ thống nâng hạ điện cực dùngđộng cơ điện xoay chiều ro to lòng sóc điều khiển bằng PLC ghép nối biếntần vì hệ thống này có nhiều ưu điểm phù hợp và đáp ứng đươc yêu cầu côngnghệ lò hồ quang

Phần III:

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN

TRONG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sinchuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu.Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rấtnhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác địnhthời điểm đóng mở van công suất Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thayđổi theo từng chu kỳ

Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung

(vo1 là thành phần sin cơ bản, v i là điện một chiều vào bộ nghịch lưu, v o là điện áp ra)

Trong quỏ trỡnh điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực,điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡngcực

Có hai phương pháp điều chế cơ bản là:

- Điều chế theo phương phỏp sin PWM (SPWM)

- Điều chế vectơ không gian

I Điều chế theo phương pháp SPWM

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một

tín hiệu xung tam giác v tri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin

chuẩn v c (gọi là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ

nghich lưu một pha, thỡ ở ngừ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành

phần điều hũa cơ bản có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển v c và biên độ

phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên

độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều

tần số tín hiệu điều khiển Hỡnh 3-1.1 miờu tả nguyờn lý của của phương

Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hỡnh 3-1.2 để tạo ra điện áp sin

ba pha dạng điều chế độ rộng xung ta cần ba tớn hiệu sin mẫu

Hỡnh 3-1.2 : Nghịch lưu áp ba pha

Nguyờn lý điều chế và dạng sóng như sau:

Hệ số điều chế biên độ ma được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tínhiệu điều khiển với biên độ của sóng mang:

c a tri

V m V

ma : Hệ số điều biến

Vc : Biên độ sóng điều khiển

Vtri : Biên độ sóng mang

Trong vựng tuyến tớnh (0< ma< 1) biên độ của thành phần sin cơ bản VA01

(điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức: dc

V m V

fc - tấn số tín hiệu điều khiển

Giá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ Nếu mf làmột giá trị không nguyên thể trong dạng súng đầu ra sẽ có các thành phầnđiều hũa phụ (subharmonic) Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóngđầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các hài bậc chẵn Giá trị của mf nên

là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba pha vỡ trong điện áp dây đầu ra sẽ triệttiêu các hài bậc chẵn và hài là bội số của ba

Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ

và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín

hiệu sin chuẩn v c Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóngđiều hũa của điện áp ra Muốn giảm các sóng điều hũa bậc cao cần phải tăngtần số sóng mang hay tần số PWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thỡ tổnhao chuyển mạch lại tăng lên

II Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM)

Phương pháp điều chế vectơ không gian khác với các phương pháp điềuchế độ rộng xung khác Với phương pháp điều chế PWM khác, bộ nghịch lưuđược xem như ba bộ biến đổi đẩy kéo riêng biệt với ba điện áp pha độc lậpnhau Đối với phương pháp điều chế vectơ không gian, bộ nghịch lưu đượcxem như một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt từ 0 đến 7

1 Véc tơ không gian của các đại lượng 3 pha

a Xây dựng véc tơ không gian.

Động cơ đồng bộ hay không đồng bộ đều có ba cuộn dây với dòng điện ba pha bố trí như sau

Trong đó 3 dòng điện isu, i sv, i sw là 3 dòng chảy từ lưới qua đấu nối vào động cơ Khi chạy động cơ bằng biến tần thì đó là 3 dòng ở đầu ra của biến tần, 3 dòng đó thoả mãn phương trình:

Theo công thức trên thì véc tơ is(t) là một véc tơ có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc  2 .fs và tạo ra một trục thực một gócpha   s(t) Trong đó  s là tần số mạch stator Việc xây dựng véc tơ is(t) được mô tả trong hình sau

Re

a b

c

Im

e j120

e j240

H 3-2.2: Thiết lập véc tơ không gian từ các đại lượng pha.

Qua hình vẽ ta thấy dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của véc tơ mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng Ta đặt tên cho trục thực

có mặt phẳng phức là  và trục ảo là  , hình chiếu của véc tơ dòng xuống hai trục đó là is , và is 

H3-2.3 Biểu diễn dòng stator dưới dạng véc tơ không gian với các phần tử

is , is  , và thuộc hệ toạ độ stator cố định

Dễ dàng nhận thấy rằng i s và i s là hai dòng hình sin do đó ta có thể hìnhdung ra một động cơ điện tương ứng với hai cuộn dây cố định  ,  thay thếcho 3 cuộn dây u, v, w Hệ toạ độ này là hệ toạ độ stator cố định ta có:

(2.4)

Trên cơ sở công thức (2.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của 3 cuộndây không nối đất ta chỉ cần đo 2 trong 3 dòng điện stator là đã có đầy đủthông tin về is(t) với các thành phần trong công thức (2.4)

Tương tự với các véc tơ dòng stator, các véc tơ điện áp stator Us, dòngrotor ir, từ thông stator s, từ thông rotor r đều có thể biểu diễn bằng cácphần tử thuộc hệ toạ độ stator cố định

r

s s

s

r r

r

s s

s

s s

s

j

j i i

i

j u u

u

i i

i

(2.5)

b Chuyển hệ toạ độ cho véc tơ không gian.

Mục đích của ta ở đây là đưa cách quan sát các đại lượng véc tơ trên hệ toạ

độ stator cố định ,  sang hệ toạ độ xy nào đó quay đồng bộ với từ thông stator

Ta xét hệ toạ độ tổng quát xy và hệ toạ độ x*y* có chung điểm gốc và nằm lệch đi 1 góc *

H3-2.4 Chuyển hệ toạ độ cho véc tơ không gian bất kỳ.

Từ hình vẽ và qua vài biến đổi ta có công thức chuyển đổi hệ toạ độ như sau: xy  * e j  *  * xy.ej  *

Giả sử ta quan sát một động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đang quayvới vận tốc góc  d dt trong đó  là góc tạo bởi trục rotor và trục quaycuộn dây pha u Hình vẽ biểu diễn hai véc tơ dòng stator is và từ thông rotor

r

 với môdul và một góc pha bất kỳ

H3-2.5 : Biểu diễn véc tơ không gian trên hệ toạ độ từ thông.

Véc tơ từ thông r quay với tốc độ góc

dt

d

f s s s



Trong đó fs là tần số mạch điện stator

Từ hình vẽ (H3-2.5) ta thấy  s sự chênh lệch đó tạo nên dòng điện rotorvới tần số fr dòng điện đó cũng có thể biểu diễn dưới dạng véc tơ ir với tốc độgóc   2  f rvà gốc trùng với gốc của hệ toạ độ  ,  và đặt tên cho trụcmới là dq ta dễ dàng nhận thấy rằng hệ toạ độ mới định nghĩa là một hệ toạ độquay xung quanh điểm gốc chung với tốc độ góc s với véc tơ is có các phần

tử mới là isd và isq

Để dễ nhận biết được véc tơ đang quan sát ở hệ toạ độ nào ta quy ướcthêm hai chỉ số mới được viết bên phải trên cao: f thay cho hệ toạ độ dq và sthay cho hệ toạ độ  ,  ta sẽ có:

i s i s  ji s

(2.7)