Thiết kế hệ thống truyền động điện tự động nâng hạ điện cực lò Hồ quang điện

Đồ án tốt nghiệp &  Trang bị điện cho lò Hồ quang Lời nói đầu Cùng với sự phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng của nền công nghiệp thế giới trong những năm gần đây. Một mặt chúng ta áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật tiến vào sản xuất, một mặt chúng ta nghiên cứu chế tạo đồng thời tiến hành sản xuất các thiết bị cho phù hợp với trình độ vận hành và thực tiễn sản xuất. Trong sự nghiệp CNH - HĐH đất nước, ngành công nghiệp 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 được dùng tương đối phổ biến, với ưu điểm cơ bản là đơn giản, tiện lợi, dễ điều chỉnh để tạo ra mác thép mong muốn. Là một kỹ sư tương lai, em luôn xác định rõ trách nhiệm học tập của mình về kiến thức và kinh nghiệm để sau này có thể góp phần thúc đẩy sự phát triển nền công nghiệp nước nhà tiến gần đến các nền công nghiệp tiên tiến của các nước trên thế giới. Sau 5 năm học tập và nghiên cứu tại trường, em được nhận đề tài tốt nghiệp là "Thiết kế hệ thống truyền động điện tự động nâng hạ điện cực lò Hồ quang điện" phục vụ cho ngành công nghiệp luyện kim. Qua thời gian tìm tòi nghiên cứu, với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Nguyễn Như Hiển cùng các thầy giáo bộ môn trang bị điện. Đến nay đề tài tốt nghiệp của em đã hoàn thành bao gồm các phần lớn sau: Chương I : Giới thiệu chức năng và công nghệ của lò điện hồ quang Chương II : Thiết kế trang bị điện cho hệ thống nâng hạ điện cực Chương III : Tính chọn thiết bị Chương IV : Xây dựng đường đặc tính tĩnh Chương V : Xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống. Chương VI : Thuyết minh sơ đồ nguyên lý. Do hạn chế thời gian và kiến thức nên trong đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, em mong các thầy chỉ bảo và ý kiến của các bạn đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy Nguyễn Như Hiển cùng các thầy cô giáo trong bộ môn đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Thái nguyên 05/06/2005 Sinh viên: Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 1 Đồ án tốt nghiệp &  Trang bị điện cho lò Hồ quang Lê Văn Bình Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 2 Đồ án tốt nghiệp &  Trang bị điện cho lò Hồ quang Mục lục Tran g Lời nói đầu 1 Mục lục 2 Chương I : Giới thiệu công nghệ và yêu cầu trang bị điện lò hồ quang 5 A-Giới thiệu công nghệ lò hồ quang 6 I. Khái niệm chung và phân loại lò hồ quang 6 II. Cấu tạo của lò hồ quang 6 III. Chế độ năng lượng điện làm việc của lò hồ quang 9 IV. Luyện thép trong lò hồ quang 10 1. Nguyên vật liệu 10 2. Chuẩn bị nguyên vật liệu mẻ luyện 12 V. Điện cực 17 VI. Hồ quang điện 17 VII. Thiết bị lò hồ quang 18 B-yêu cầu trang bị điện cho lò hồ quang 25 I. Mục đích điều chỉnh hồ quang 25 II. Yêu cầu điều chỉnh hồ quang. 25 Chương II : Phân tích và chọn phương án truyền động 28 I. Giới thiệu chung 29 II. Giới thiệu một số loại đông cơ 28 A. Động cơ xoay chiều 30 B- Động cơ một chiều 30 Kết luận chọn loại động cơ 33 III- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều và chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ cho hệ thống 34 A- Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ 34 B- Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ 37 C- Nguyên tắc thay đổi điện trở phần ứng 38 D- Kết luận chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 39 IV. Chọn phương pháp ổn định tốc độ 40 V. Chọn phương pháp hạn chế phụ tải 41 VI. Các chế độ hãm của động cơ một chiều 42 1.Hãm tái sinh 43 2. Hãm ngược 44 3. Hãm động năng 45 VII. Các phương pháp khống chế dịch cực lò hồ quang 46 1. Sơ đồ một pha khống chế dịch cực lò hồ quang dùng hệ MĐKĐ - Đ 47 2. Sơ đồ điều chỉnh dịch cực lò Hồ quang bằng Thyristor 51 Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 3 Đồ án tốt nghiệp &  Trang bị điện cho lò Hồ quang 3. Kết luận 53 VIII. Chọn phương pháp đảo chiều 54 IX. Thiết kế sơ đồ động lực 55 1. Chọn sơ đồ mạch lực 55 2. Sơ đồ chỉnh lưu 56 a. Bộ biến đổi mắc theo sơ đồ tia 3 pha điều khiển hoàn toàn 56 b. Bộ biến đổi mắc theo sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha 59 c. Kết luận 61 X. Thiết kế sơ đồ điều khiển 65 A. Chọn phương pháp điều khiển 65 B. Lựa chọn phương pháp phát xung 65 C. Thiết kế sơ đồ khối cho hệ điều khiển 66 D. Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho từng khối chức năng 67 1. Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa 67 2. Mạch so sánh 69 3. Mạch sửa xung 70 4. Mạch khuyếch đại xung 71 5. Mạch lôgic và tạo trễ tín hiệu 72 6. Mạch báo trạng thái làm việc của bộ biến đổi 74 7.Thiết kế mạch phản hồi 75 a. Mạch phản hồi âm dòng có ngắt 75 b. Mạch phản hồi âm tốc độ 76 c. Ghép hai mạch vòng phản hồi 76 8. Thiết kế mạch đo lường và bảo vệ 77 a. Khâu đo dòng điện hồ quang 78 b. Khâu đo điện áp hồ quang 79 9. Thiết kế khâu không nhạy 79 10. Thiết kế khâu đặt công suất cho lò Hồ quang. 80 11. Thiết kế khâu đặt bảo vệ 81 a. Thiết kế khâu bảo vệ ngắn mạch sự cố 81 b. Thiết kế mạch bảo vệ mất pha 82 12. Thiết kế mạch điều khiển bằng tay 83 Chương III : Tính chọn thiết bị 84 I. Tính chọn thiết bị lò. 85 1. Chọn máy biến áp lò: 85 2. Chọn thiết bị đóng cắt. 85 3. Chọn thiết bị đo lường, bảo vệ phía sơ cấp máy biến thế lò 86 4. Chọn điện cực. 87 5. Chọn kháng 87 6. Chọn mạch ngắn: 88 7. Chọn động cơ truyền động phụ 88 Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 4 Đồ án tốt nghiệp &  Trang bị điện cho lò Hồ quang II. Chọn thiết bị mạch động lực 88 1.Tính chọn động cơ điện: 88 2. Chọn Thyristor. 88 3.Tính chọn cuộn kháng san bằng ở mạch phần ứng: 89 4.Tính chọn máy biến áp 91 5. Tính chọn thiết bị bảo vệ: 93 III. Tính chọn thiết bị mạch điều khiển : 94 1. Chọn máy phát tốc: 94 2. Chọn máy biến dòng: 95 3. Tính khâu khuếch đại xung : 95 4. Chọn IC khuyếch đại thuật toán 96 5. Chọn IC logic 97 6. Tính các hệ số khuếch đại của hệ thống : 97 Chương 4 :Xây dựng đặc tính tĩnh của hệ thống 100 I . ý nghĩa 100 II. Xây dựng đặc tính cơ của hệ thống 101 1.Thành lập phương tình đặc tính cơ điện khi khâu ngắt chưa tác động 101 2. Thành lập phương trình đặc tính cơ khi cả 2 khâu cùng tác động 101 3.Thành lập phương trình đặc tính cơ chỉ có khâu âm dòng tác động 102 4. Xây dựng đường đặc tính cơ điện n = f(I) 102 Chương V :Xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống 107 I. Đặt vấn đề 108 II. ổn định tĩnh 108 III. ổn định động 108 IV. Xét ổn định hệ thống 108 1. Thành lập sơ đồ cấu trúc và hàm truyền của hệ thống 108 2. Xét ổn định hệ thống . 110 3. Hiệu chỉnh hệ thống 110 Chương VI :Thuyết minh sơ đồ nguyên lý hệ thống 114 I - Mạch động lực. 115 II - Mạch điều khiển. 115 III - nguyên lý hoạt động. 116 Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 5 Đồ án tốt nghiệp &  Trang bị điện cho lò Hồ quang CHƯƠNG I GIỚI THIỆUCÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU TRANG BỊ ĐIỆN CHO LÒ HỒ QUANG Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 6 Đồ án tốt nghiệp &  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. 1. Khái niệm: 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 chất lượng cao. 2. Phân loại:  Theo dòng điện sử dụng : Lò hồ quang một chiều, lò hồ quang xoay chiều.  Theo cách cháy của ngọn lửa hồ quang : Lò nung nóng trực tiếp : Nhiệt của ngọn lửa xảy ra giữa điện cực và kim loại dùng để nấu chảy kim loại. Lò nung nóng gián tiếp : Nhiệt của ngọn lửa xảy ra giữa hai điện cực được dùng để nấu chảy kim loại. a) Gián tiếp b) Trực tiếp  Theo đặc điểm chất liệu vào lò: Lò chất liệu trên đỉnh lò xuống nhờ gầu chất liệu, loại lò này có cơ cấu nâng vòm nóc. Lò chất liệu bên sườn bằng phương pháp thủ công hay máy móc qua cửa lò.  Theo số tấn thép được luyện (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: Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 7 Đồ án tốt nghiệp &  Trang bị điện cho lò 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 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. 2. Cửa lò. 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. 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. 6. Vành làm chặt : Để làm giảm khe hở giữa điện cực và nắp 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 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 tang quay kéo dây 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 lên = 1÷1,5 m/p’ Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 8 Đồ án tốt nghiệp &  Trang bị điện cho lò Hồ quang V xuống = 0,5 ÷ 0,8 m/p’ Đối với lò nhỏ : V lên = 1,5÷2 m/p’ V xuống = 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 chiều cao nhất định nên ảnh hưởng đến sự làm việc chung của cầu 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 1000 o 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 nh 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 + Èng dẫn điện + 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 + Vành nắp lò Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 9 Đồ án tốt nghiệp &  Trang bị điện cho lò Hồ quang + 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. Sinh Viên : Lê Văn Bình Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp 10