Điện - Điện tử - Tìm hiểu công nghệ lò cảm ứng điện từ

103 trang vanle 4310

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Điện - Điện tử - Tìm hiểu công nghệ lò cảm ứng điện từ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

dien_dien_tu_tim_hieu_cong_nghe_lo_cam_ung_dien_tu.pdf

Nội dung text: Điện - Điện tử - Tìm hiểu công nghệ lò cảm ứng điện từ

Tìm hiểu công nghệ lò cảm ứng điện từ
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ LÒ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 1.1. Đặt vấn đề Trong các thế kỉ trước các ngành công nghiệp chưa được chưa được phát triển đặc biệt các ngành công nghiệp như là ngành công nghiệp luyện kim, ngành chế tạo máy, vấn đề chất lượng thép và thép hợp kim chưa được quan tâm đúng mức Đến thế kỷ 20, nhất là sau Chiến tranh thế giới lần thứ nhất, nền công nghiệp ngày càng phát triển mạnh. Trên thế giới lúc bấy giờ các ngành công nghiệp , nhất là ngành luyện thép và hợp kim, ngành đúc chi tiết, ngành chế tạo máy, ngành điện lực, ngành điện tử đang đà phát triển về sản lượng và chất lượng sản phẩm. Do yêu cầu và điều kiện kĩ thuật mới, sắt thép thông thường như trước không thỏa mãn với các dụng cụ, máy móc thiết bị tối tân, vì ở đây đòi hỏi chúng phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, chống được ăn mòn hóa học và điện hóa, chống bào mòn cơ học, chống nóng, chống rỉ . do đó phải sản xuất ra các loại thép và hợp kim có tính năng đặc biệt như độ bền cơ học cao, độ bền chống ăn mòn của môi trường axít, nước sông, nước biển, chống mài mòn do va đập Đặc biệt cần phải sản xuất ra các loại thép có tính đàn hồi cao, có tính nhiễm từ tốt, có tính chống nhiễm từ cao. Do các tính chất đặc biệt trên nên thép đựơc sản xuất ra từ lò thổi không khí không thể đáp ứng được nữa, mà phải nấu luyện trong các loại lò điện. Vậy phương pháp luyện thép trong lò điện là một công nghệ mới hiện đại. Để luyện thép và hợp kim trong lò điện người ta tận dụng điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng hồ quang, cảm ứng điện từ, điện trở và dạng plasma. Thường sử dụng lò điện hồ quang xoay chiều hoặc lò điện hồ quang một chiều để sản xuất thép cácbon chất lượng, thép hợp kim thấp, trung bình và cao với sản lượng lớn. Để luyện một số thép hợp kim chuyên dùng, hoặc các thép hợp kim cao ít cacbon người ta sử dụng các loại lò điện cảm ứng cao tần, trung tần và tần số công nghiệp. Để nấu loại thép và hợp kim, tinh luyện kim loại và thép đạt chất lượng cao hơn nữa người ta sử dụng lò điện xỉ, lò điện cảm ứng chân không, lò hồ quang chân không, lò điện từ chân không sâu, lò plasma Để nung nguyên liệu các loại vật 1
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực liệu , các dụng cụ , chi tiết máy người ta sử dụng lò điện trở nung trực tiếp hoặc gián tiếp. 1.2. Lịch sử phát triển của phương pháp lò điện cảm ứng không lõi sắt. Đầu thế kỷ 20 đã có những đề nghị đầu tiên về hợp kim và luyện kim trong lò cảm ứng không lõi sắt bằng dòng điện tần số cao. Nhà phát minh đèn điện A.N Lô-đư-gin trong thời gian 1905 – 1907 đã đề nghị nhiều kết cấu dây nung cảm ứng và năm 1908 đã đăng trong tạp chí “ Điện “ bài báo cáo về nguyên tắc làm việc và cấu tạo lò cảm ứng không lõi sắt. Đồng thời trong thời kỳ này ở các nước đã có những bằng chứng về phát minh lò điện tần số cao (Bằng chứng nhận của công ty Pháp Snoi đe- Cređô. Bằng chứng nhận của Thụy Điển Ôsanđera, bằng chứng nhận của Anh Héc đen và nhiều nước khác.) Song lò không có lõi sắt trong thời kỳ đó vẫn chưa có ý nghĩa thực tế vì hồi đó chưa có dòng điện tần số cao. Những thí nghiệm đầu tiên về nấu luyện bằng dòng điện tần số cao được thực hiện năm 1912 -1923 ở công ty cổ phần Loren nguồn cấp điện cho lò không có lõi sắt là máy phát hồ quang tạo ra dòng điện tần số cao mà bản thân vòng dao động là hệ thống cuộn cảm ứng . Việc nấu luyện trong nồi lò đặt bên trong cuộn cảm ứng nằm trong vòng dao động . Kẽm được chất trong nồi để luyện chỉ trong khoảng 20 gam và mẻ luyện kéo dài 2 phút. Bắt đầu chiến tranh thế giới lần thứ nhất năm 1914 công việc thí nghiệm trên bị đình chỉ và chỉ sau 2 năm nghĩa là năm 1916, người Mỹ Noóc- đúp đã đề nghị một sơ đồ mới , theo sơ đồ này nhận được dòng điện cao tần người ta phóng tia lửa điện . Trong thời kỳ chiến tranh lần thứ nhất , nung cảm ứng thực tế được dùng trong công nghiệp điện chân không để nung các chi tiết đèn rađiô trong thời gian thoát khí. Sau khi kết thúc chiến tranh thế giới lần thứ nhất lò không lõi sắt bắt đầu được dùng rộng rãi hơn trong công nghiệp. Ở Mỹ việc sản xuất các lò theo sơ đồ Noóc- trúp bắt đầu chiếm vai trò chủ yếu trong công ty Ajax Electrothemic corporation năm 1920. Ở Châu Âu độc lập với Noóc-trúp năm 1920 bắt đầu các thí nghiệm về việc tạo ra lò tần số cao có thiết bị phóng tia lửa điện tự quay Ri-bơ. Sự phát triển của kỹ thuật rađio đã sinh ra máy phát dòng điện tần số cao khác nhau , máy phát hồ quang , máy phát tia lửa điện , máy phát có các đèn điện tử . 2
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Do đó đến đầu những năm 30 , thế kỷ 20 giá thành năng lượng các dòng cao tần đã giảm chỉ còn bằng 2 – 4 lần giá thành năng lượng dòng điện công nghiệp. Đó là một trong những sơ đồ tốt để sử dụng rỗng rãi trong công nghiệp lò tấn số cao và tần số cao hơn. Năm 1937 công suất của thiết bị lò tần số cao trên toàn thế giới đã tăng đến 100.000 kW và dung tích của các lò này lần đầu tiên là vài Kg nay đã lên đến 12 tấn ( Các nhà máy luyện thép Bofooc Thụy Điển năm 1951). Nguồn cơ bản cho tần số cao để cung cấp cho thiết bị điện nhiệt hiện nay đối với tần số 10000 Hz máy phát cảm ứng và đối với tần số lớn hơn là máy phát bằng đèn. Công lao đặc biệt trong các công trình xây dựng các máy cảm ứng ở nước Nga là giáo sư V.P vôlôgđin tron thời gian từ năm 1910-1935 ông đã tạo ra nhiều máy công suất từ 0,5 – 600 KW và tấn số từ 1000 đến 60000 Hz , giáp sư V.P vôlôgđin và các thí nghiệm của ông đã mở đầu cho lĩnh vực nghiên cứu tạo ra các lò cảm ứng hiện đại Nga . Năm 1930 V.P vôlôgđin cùng với những người cộng tác của mình đã bắt đầu nghiên cứu lò luyện cảm ứng không lõi sắt , năm 1932 đã xây dựng các lò luyện 10 và 200 Kg thép , cũng trong năm đó , công nghiệp Nga đã bắt đầu sản xuất được toàn bộ lò cùng với các trang bị điện của chúng như máy phát môtơ, các tụ điện giáo sư V.P vôlôgđin đã phát minh ra lò điện cảm ứng đầu tiên không có lõi sắt ở nước Nga với máy phát bằng đèn năm 1939. Sau chiến tranh thế giới lần thứ hai lò điện đã được xây dựng và phát triển rộng khắp thế giới . Như ở Đức đã ứng dụng lò điện hồ quang 10 ÷ 60 tấn/ mẻ để sản xuất thép công cụ và thép hợp kim , ở Tiệp Khắc đã sử dụng lò điện hồ quang 20 ÷ 30 tấn/ mẻ để nấu tất cả các loại thép cácbon và hợp kim thấp . Ngày nay người ta sử dụng phổ biến các loại lò điện hồ quang với dung lượng 100 ÷ 400 tấn/ mẻ dung lượng biến áp 35000 ÷ 165000 kVA. Đặc biệt ở Mỹ người ta đã chạy thường xuyên loại lò 360 tấn /mẻ với chế độ siêu công suất 160000 kW để sản xuất thép cacbon chất lượng , đảm bảo năng suất 100 ÷ 120 tấn thép/ giờ. Từ năm 1990 đến nay đã thiết kế xây dựng các loại lò điện hồ quang hiện đại như loại hồ quang một chiều siêu công suất ( 150tấn/ mẻ ) lò hồ quang thân cột có dung lượng lò 100 ÷ 300 tấn/mẻ. 3
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Sản lượng lò điện hồ quang chiếm 80 ÷ 90% tổng lượng thép lò điện . Số lượng thép còn lại được sản xuất ra từ lò cảm ứng cao tần , trung tần và tần số công nghiệp. Lò cảm ứng cao tần có dung lương 50 ÷ 100 kg/mẻ với tấn số làm việc f = 35000 ÷ 55000 Hz được sử dụng để sản xuất loại thép hợp kim chuyên dùng. Hiện nay loại lò này ít được sử dụng để nấu thép mà chủ yếu để tôi bề mặt chi tiết máy . Lò cảm ứng trung tần có dung lương 100, 200, 500, 900, và 1000 kg/mẻ với tần số làm việc từ 1000 đến 3000 Hz được sử dụng để nấu thép hợp kim cao có hàm lượng cacbon thấp ( C ≤ 0,10% ) . Loại lò được ứng dụng phổ biến khắp nơi như ở xưởng đúc , xương cơ khí , xưởng luyện thép , luyện gang Ngày nay nền công nghiệp điện tử đang đà phát triển thì lò điện cảm ứng trung tần được trang bị thiết bị tối tân để vận hành lò thuận lợi nhanh chóng và chính xác. 1.3. Đặc điểm chủ yếu của phương pháp lò điện - Để nấu luyện thép và hợp kim trong lò điện người ta sử dụng năng lượng điện biến thành nhiệt năng , do đó tập trung được năng lượng nhiệt lớn để nung chảy kim loại nhanh đặc biệt các kim loại khó chảy như colfram, molipden - Ở lò điện có nhiệt độ cao ≥ 1700 0 nên tạo điều kiện hòa tan các nguyên tố hợp kim nhiều trong thép , thỏa mãn đầy đủ cho các phản ứng luyện kim tạo điều kiện tăng tốc độ phản ứng hóa học, thúc đẩy quá trình phản ứng oxi hóa và hoàn nguyên kim loại xảy ra nhanh chóng và triệt để. - Trong quá trình nấu luyện thép ở lò điện , dễ dàng nâng nhiệt độ cho bể kim loại và đồng thời tiến hành điều chỉnh chính xác thành phần hóa học của thép lỏng và xỉ. - Nấu luyện được tất cả các loại thép cácbon cao ,thấp có chất lượng tốt, luyện được tất cả các loại thép hợp kim cao hoặc đặc biệt mà đảm bảo cháy hao các nguyên tố hợp kim rất thấp . Đặc biệt luyện được các mác thép có hàm lượng phospho và lưu huỳnh rất thấp. - Giá thành các loại thép lò điện cao còn vì tiêu tốn điện năng và điện cực lớn (điện cức grafit phải nhập từ nước ngoài vì nước ta chưa sản xuất được). - Vì vậy cần phải áp dụng các biện pháp cải tiến thiết bị và cường hóa quá trình luyện thép trong lò điện để nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm. 4
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực - Chọn và tính toán hợp lý đảm bảo ít phospho và lưu huỳnh kích thước nguyên liệu phải phù hợp với dung lượng lò và phương pháp chất liệu vào lò để đảm bảo vận hành lò tốt . - Sử dụng và khống chế chế độ điện một cách tối ưu trong quá trình nấu luyện thép , đảm bảo thời gian nấu một mẻ thép thấp nhất năng suất lò cao nhất. - Áp dụng các biện pháp cường hóa trong giai đoạn nấu chảy oxi hóa và hoàn nguyên . - Áp dụng các công nghệ mới như tạo xỉ đơn , tạo xỉ bọt , thổi oxi nguyên chất , thổi các chất khử và khí trơ vào lò để đảm bảo tốc độ phản ứng luyện kim xảy ra nhanh do đó khử bỏ được các tạp chất và các khí có hại trong thép một cách triệt để . 1.4. Cơ sở lý thuyết về lò cảm ứng không lõi sắt ( lò tần số ) là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ . Khi đặt một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên thì trong khối kim loại sẽ xuất hiện( cảm ứng ) các dòng điện xoáy ( dòng Foucault ) . Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại. Lò cảm ứng được cấu tạo dựa trên nguyên lý của một máy biến áp không khí cuộn cảm ứng được chế tạo bằng đồng theo dạng xoắn ốc bọc xung quang tường lò. Cuộn cảm ứng được coi như là cuộn sơ cấp , cuộn kim loại chứa đựng trong lò được coi như là cuộn thứ cấp máy biến áp . Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn cảm ứng thì sẽ sinh ra từ thông biến thiên . Từ thông đi qua kim loại sản sinh ra mốt sức điện động cảm ứng là E2. Kim loại ở đây coi như là một dây dẫn, khép kín và thẳng góc với từ thông biến thiên . Xuất hiện trong kim loại một dòng điện cảm ứng và năng lương của dòng điện cảm ứng sinh ra một lượng nhiệt lớn để nung chảy kim loại. Như vậy khi lò làm việc thì xuất hiện hai sức điện động cảm ứng trong cuộn cảm ứng E1 và trong kim loại E2. Giá trị E1 và E2 được tính theo công thức: −8 E1 = 4,44.φ .f.n1.10 V −8 E2 = 4,44.φ .f.n2.10 V. Trong đó: φ - từ thông biến thiên , Wb f - tấn số làm việc, Hz n1 – số vòng của cuộn cảm ứng (sơ cấp); n2 - số vòng cảm ứng của cuộn thứ cấp ( kim loại coi là một khối thống nhất nên có n2 = 1 ); 5
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Do giữa cuộn cảm ứng và kim loại chứa trong lò bị ngăn cách bởi độ dày của nồi lò ( bằng vật liệu chịu lửa ) và các vòng của cuộn cảm ứng có những khoảng cách nhất định nên từ thông biến thiên bị mât mát lớn ( từ thông tản ra ngoài không khí ) do vậy sức điện động cảm ứng E1 > E2 . Vì vậy cần phải cấp vào cuộn cảm ứng một năng lượng điện lớn để tạo ra E1 cao phù hợp với dung lượng lò và đồng thời tạo ra E2 đủ lớn để làm nóng chảy kim loại trong lò . Khi kim loại bị cảm ứng thì trong kim loại sẽ lập tức sinh ra từ thông chống lại từ thông do cuộn cảm ứng sinh ra, do đó chiều dòng điện I1 ngược chiều với chiều dòng điện Foucault (I2). E1 n1 I1 Ta có : = = và do đó I2 = I1.n1; E2 n2 I 2 Như vậy dòng điện I2 phụ thuộc vào nguồn cung cấp và phụ thuộc vào số vòng của cuộn cảm ứng. Khi một dòng điện xoay chiều vào cuộn cảm ứng thì lập tức trong kim loại sinh ra một dòng điện I2 (Phucô) . Dòng điện I2 lớn gấp n1 so với I1 nghĩa là khi có I1 = const và tăng số vòng cuộn cảm ứng thì dòng I2 tăng cao. Và nhờ có dòng điện Phucô ( I2 ) tạo ra một lượng nhiệt lớn để nấu chảy kim loại. Năng lương điện nấu chảy kim loại được tính theo công thức : 2 2 −9 W = I 2 .2π .d.h. ρ.μ. f .10 ; (W); 2 −9 W = (I1.n1).2π .d.h. ρ.μ. f .10 ; (W); Trong đó : I1.n1 – gọi là ampe vòng ,( A.mm); d - đường kính nồi chứa kim loại, ( mm ) h – chiều cao nồi lò, ( mm). ρ - điện trở suất kim loại, ( Ω mm 2 /m ). f – tần số làm việc , (Hz). 6
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Qua công thức trên ta thấy nhiệt cung cấp cho lò nấu phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó tỷ lệ với bình phương ampe vòng . Lượng nhiệt này còn phụ thuộc vào số vòng của cuộn sơ cấp ( n1 ) và cường độ dòng điện cảm ứng (I1) . Mỗi một loại lò cảm ứng đều có mạch điện riêng để đảm bảo cung cấp dòng điện I1 và tấn số làm việc ở múc độ tối thiểu. 9 ρ fmin ≥ 2,5 . 10 . ; d 2 Trong đó : ρ - điện trở suất của nguyên liệu , Ω mm 2 /m; d - đường kính lò chứa nguyên liệu , mm . Nhân xét : Đường kính nồi lò tỷ lệ nghịch với đường kính làm việc . Khi tăng tấn số làm việc thì phải giảm đường kính nồi lò . Vậy tần số làm việc quyết định dung lương định mức của lò ( tấn/mẻ ). 1.5. Đặc điểm nguyên lý cảm ứng điện trong lò cảm ứng không lõi sắt 1.5.1. Mức độ cảm ứng Mức độ cảm ứng của khối kim loại chứa trong lò khác nhau , phụ thuộc vào từng vùng, tính chất của nguyên liệu và tần số làm việc. Mật độ dòng điện cảm ứng phân bố trong lò không đều . Kim loại sá tường lò, gần cuộn cảm ứng thì có mật độ điện lớn nhất và giảm dần theo hướng vào tâm lò, tức là nguyên liệu chảy nhanh nhất ở sát tường lò , còn ở giữa lò là chảy chậm. Để xác định đại lượng mật độ dòng ở kim loại tại một điểm bất kỳ trong nồi lò ta co công thức sau: w.π f .μ .10−9 − z −2πz kl 2.ρ ρ δ z = δ 0 .e = δ 0 .e Trong đó : δ z , δ 0 : tương ứng mật độ dòng tại hoành độ z và 0 π : độ từ thẩm tuyệt đối , ( H ) π = π 0.π kl π 0 : độ từ thẩm trong môi trường chân không; π kl : độ từ thẩm của kim loại trong lò; 7
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực ρ : điện trở xuất của kim loại trong lò; ( Ω.mm 2 / m ) f – tần số làm việc , ( Hz ) z 0 P z P0 z z Hình 1.1. Phân bố tương đối của mật độ dòng điện (δ z /δ 0 ) và công suất(P z /P0 ) Trong quá trình nấu luyện thép khi tăng nhiệt độ thì độ sâu thấm từ tăng ( dưới điểm Quyri ( t < 710 0 C ). Trên thực tế sản xuất thường cho lò đạt nhiệt độ cao rồi mới chất liệu cục to vào lò , đặc biệt nên chất nguyên liệu kim loại sát thành lò hết sức khít chặt , còn ở giữa lò vừa đảm bảo nguyên liệu được nung đỏ và nấu chảy đều nhanh . Sau mỗi mẻ nấu thép cần để lại ít thép lỏng trong lò để kích thích độ từ ( cho phép ). Khi kim loại còn ở trạng thái rắn thì công suất nhiệt tỏa ra trong nguyên liệu phụ thuộc vào kích thước cục liệu ban đầu. Theo G. T . Badata thì giá trị công tỏa nhiệt ra trong nguyên liệu đạt được cực đại khi kích thước nguyên liệu là: d1 = 3,5.b; ( mm ) Trong đó: d1 : đường kính cục nguyên liệu, ( mm ). b : độ sâu thấm từ , mm. 1 ρ.1012 b = . ; ( mm ). 2.π f .μ kl 8
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Ta có bảng nêu chỉ tiêu sản xuất thép ở lò cảm ứng không lõi sắt. Bảng1.1. Chỉ tiêu kích thước nguyên liệu được sử dụng trong các loại lò. Tần số làm việc, Hz Đường kính liệu, (mm) Loại lò cảm ứng 50 100 ÷ 150 Lò tần số công nghiệp 1000 35 ÷ 40 Lò trung tần 2000 25 ÷ 30 Lò trung tần 3000 20 ÷ 25 Lò trung tần 10.000 10 ÷ 12 Lò cao tần 500.000 1,0 ÷ 1,5` Lò cao tân đặc biệt 1.5.2. Công suất điện Phải tận dụng công suất điện có lợi cho quá trình nấu, do đó cần phải nối vào tải hệ thống tụ điện bù cosϕ . Do cấu tạo lò và cuộn cảm ứng nồi lò có độ dày bằng vật liệu chịu lửa ngăn cách lò với cuộn cảm ứng , còn cuộn cảm ứng có nhiều vòng , vòng nọ cách vòng kia 2 ÷ 3 mm nên tạo ra nhiều khe hở , dẫn đến từ thông biến thiên bị rò ra ngoài không khí , mất bớt năng lượng điện cảm ứng ở trong lò do đó hệ số tận dụng công suất điện rất thấp - Tần sô 50 Hz thì cosϕ = 0,1 ÷ 0,12. - Tần sô 500 ÷ 3000 Hz thì cosϕ = 0,2 ÷ 0,22. - Tần sô 4000 ÷ 10.000 Hz thì cosϕ = 0,25 ÷ 0,28. 1.5.3. Hệ thống tụ điện bù Với đại lượng cosϕ thấp như vậy không thể đủ năng lượng nhiệt cung cấp cho việc nấu chảy kim loại vì vậy người ta mắc hệ thông tụ điện bù hoặc nối tiếp hoặc song song hoặc tổng hợp với cuộn cảm ứng lò 9
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực a) Mắc nối tiếp với cuộn cảm ứng lò thì cho ta chế độ cộng hưởng điện áp như hình vẽ. 1 r I1 C U1 U2 UU12= X= C UL Uc Uc UL=Uc I1 Hình 1.2. Sơ đồ kiểu nối tụ nối tiếp với cuộn cuộn cảm ứng lò Khi cộng hưởng Im = Ilò = IC= I∑ và điện áp của máy phát khi công hưởng nhỏ ' hơn điện áp của máy khi chưa cộng hưởng ( Um > U m ). Nếu công hưởng hoàn toàn thì có điện áp ở cuộn cảm ứng bằng điện áp ở tụ điện bù ( UL = UC ). Khi Um ' > U m thì góc lệch pha giữa UL và UC giảm xuống bằng không. Nếu điện áp ở máy phát ổn định theo mức bù dẫn tới IL tăng làm tăng giá trị sụt áp trên cuộn cảm và tụ điện bù. Điện áp trên cuộn cảm ứng lò UL = U1.X = U1.ω .L; 1 Điện áp trên tụ điện bù Uc = I1 . và trên điện trở thuần có điện áp ω.C Ur = I1.r dẫn đến làm tăng điện áp trên lò ( I∑ ), đôi khi cao quádễ làm thủng lớp cách điện giữa các vòng cảm ứng dẫn đến sự cố. Do đó cần khống chế dòng điện khi có chế độ cộng hưởng điện áp. Thực tế người ta ít dùng cách ghép nối tụ điện nối tiếp , mà phổ biến là dùng phương pháp ghép nối tụ bù song song với cuộn cảm ứng lò . Với cách nối này cho ta chế độ cộng hưởng dòng điện và hoàn toàn tránh được sự cố do quá dòng điện do cộng hưởng. b) Sơ đồ ghép nối tụ song song với cuộn cảm ứng lò được giới thiệu ở hinh vẽ : 10
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực I2 r I2 IIn= L 1 U1 =U2 C In Ic X= C Uc Ic=IL I2 Ic Hình 1.3. Sơ đồ nối tụ song song với cuộn cảm ứng. Ta có Um = Ulò = UC= UL , nghĩa là điện áp máy phát ổn định trong quá trình chạy lò , còn dòng điện khi cộng hưởng vượt trội dòng điện máy phát: I lo = I C + I m Nếu chưa có cosϕ thì ta có I lo = I m Nếu cộng hưởng hoàn toàn khi r = 0 thì ta có Ilo = IC . Khi lò làm việc theo chế 1 độ cộng hưởng ta có ω.L = ( điện trở trong của cuộn cảm ứng bằng điện trở ω.C trong tụ điện bù ). Do đó ta xác định được điện dung của tụ điện bù: 1 1 C = = ω 2 .L (2π. f ) 2 .L U 1 Q L = = = 2π. f .I U 2 . f .2π U 2 . f .2π Trong đó: ω - tần số góc , ( rad/s); f - tần số dòng điện , Hz; L - đại lượng tự cảm , Hz ; C - điện dung tụ điện , F; Q - công suất phản kháng, kVAr ; Qua công thức trên ta thấy lò cảm ứng có tần số làm việc càng cao thì điện dung bù càng nhỏ ( giá thành hạ , tổn hao điện năng thấp ). 11
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực c) Cộng hưởng hỗn hợp là vừa có cộng hưởng điện áp , vừa có cộng hưởng dòng trong quá trình chạy lò. Để thực hiện cộng hưởng hỗn hợp người ta vừa nối ghép tụ bù nối tiếp , vừa nối song song với cuộn cảm ứng lò . Đây là mạch nối phức tạp cồng kềnh nên ít dùng trong sản xuất. 1 C r IC 1 UU1 = 2 C In X= C I2 Hình 1.4. Sơ đồ nối tụ vừa nối tiếp vừa song song với cuộn cảm ứng lò 1.5.4. Ảnh hưởng của từ thông tán xạ và từ thông trong khối kim loại Làm xuất hiện lực nâng làm cho phần kim loại lỏng ở giữa lò được tăng cao với độ cao Δh2 −3 2 6,41.10 .(I1.n0 ) 1.P Δh2 = = ( cm ). γ γ .h2 .d 2 . f .ρ 2 Trong đó: I1 : Cường độ dòng điện vào cuộn cảm ứng trong lò (A); n0: Số vòng cảm ứng trên một đơn vị dài ( vg/cm ); γ : Tỷ khối của kim loại lỏng ( g/cm 3 ); ρ 2 : Điện trở suất của kim loại ( Ωm ); f : Tấn số làm việc ( Hz ); h2,,d2 : Tương ứng với chiều cao của bể kim loại. Cùng một công suất truyền cho kim loại nếu tần số càng nhỏ thì Δh càng cao . Do lực nâng lên của phần kim loại lỏng trong lò nên kim loại và xỉ lỏng được xáo trộn mãnh liệt làm cho thành phần hóa học và nhiệt độ của thép lỏng hết sức đồng đều , sản phẩm luyện ra rất sạch nhưng lại có nhược điểm làm cho áo lò bị bào mòn nhanh , bóc trần bề mặt kim loại lỏng. Qua sản xuất thực tế người ta áp dụng hai biện pháp sau đây để khắc phục nhược điểm đó : + Nâng hạ cuộn cảm đến mức cho phép đối với lò có dung tích nhỏ cỡ từ 12
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 5 ÷ 10 (kg/mẻ ) + Người ta lắp đặt hại cuộn cảm ứng : Cuộn cảm ứng có tần số cao để tăng tốc độ nấu chảy nguyên liệu , còn cuộn cảm ứng thứ hai có tần số công nghiệp để khuấy trộn bề mặt kim loại lỏng. Hai cuộn cảm ứng này được ghép nối thành một hệ thống chung và được quấn các vòng cảm ứng ngược chiều nhau . Cuộn cảm ứng thứ nhất có nhiều vòng được sử dụng khi cần xáo trộn kim loại lỏng , mãnh liệt mà có độ vòng cao của phần khối kim loại ở giữa lò. Với thiết bị hiện đại người ta vận hành lò có hai cuộn cảm ứng hết sức nhanh chóng chính xác. Hiện nay người ta áp dụng phương pháp này phổ biến đẻ nấu luyện thép hợp kim có chất lượng cao và đồng thời nâng cao tuổi thọ lò ( 100 ÷ 150 ) mẻ. 1.6. Phân loại 1.6.1. Theo tấn số làm việc : - Thiết bị tần số công nghiệp lấy điện từ lưới hoặc qua máy biến áp f = 50 Hz (Lò cảm ứng tấn số công nghiệp). Nhiệt cung cấp cho lò phụ thuộc vào phụ thuộc chủ yếu vào cường độ dòng điện chạy qua cuộn cảm ứng và hiệu điện áp đặt ở hai đầu cuộn cảm ứng. ở lò này lượng nhiệt cung cấp cho nguyên liệu kim loại không thây đổi theo tấn số vì f = 50 Hz . Nhưng việc tăng cường độ dòng điện có giới hạn nhất định. Nếu tăng dòng điện quá lớn thì phải tăng tiết diện dây dẫn , tăng độ dẫn điện tốt và tăng công suất máy biến áp lò Vì vậy ở lò cảm ứng tần số công nghiệp việc cung cấp nhiệt cho lò là rất chậm , dẫn đến thời gian nấu luyện là kéo dài . Do đó sử dụng lò cảm ứng tần số công nghiệp thích hợp cho các nấu luyện thép cácbon cao, nấu luyện kim loại màu , kim loại hoặc hợp kim dễ chảy ( t < 1150 0 ) . Đặc biệt thiết bị lò này rất đơn giản , rẻ tiền , dễ thiết kế, dễ xây dựng vì không cần thiết bị đổi tấn số. Nhưng trái lại vì tần số làm việc thấp nên phải có dung lượng tụ bù cosϕ rất lớn , phải ghép song nhiều tụ nên giá thành cao và tổn hao điện năng trong các tụ là rất lớn. - Thiết bị trung tần với tần số làm việc 500 ÷ 10 0000 Hz ( Lò cảm ứng trung tần ). Đây là lò trung gian giữa lò cảm ứng tần số công nghiệp và lò cảm ứng cao tần . Nhiệt độ cung cấp cho lò để nấu chảy kim loại với tốc độ nhanh , thích hợp cho việc nấu luyện các loại thép cacbon hoặc hoặc các loại 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. 13
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực - Thiết bị cao tần với tần số làm việc trên 10 000 Hz ( Lò cảm ứng cao tần ) thường dùng đèn phát hoặc thyristor. 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 rất lớn. Do đó nhiệt độ cung cấp cho lò để nấu chảy kim loại là nhanh nhất . Việc cấp nhiệt nhanh như vậy phù hợp với các công nghệ tôi các chi tiết dụng cụ máy và nấu luyện các loại thép có nhiệt độ nấu chảy cao . Công việc tôi và nấu luyện thép phụ thuộc hoàn toàn vào tấn số làm việc . Để đạt được tấn số rất cao f = 100000 Hz thì phải có thiết bị biến đổi tần số thích hợp , thường người ta sử dụng các loại bóng đèn điện tử hai cực , ba cực hoặc dùng cac lịnh kiện bán dẫn thyristor. 1.6.2. Theo phạm vi ứng dụng: - Thiết bị tần số để nấu chảy kim loại và hợp kim. Lò cảm ứng loại này có hai loại là lò có lõi thép ( lò máng ) và lò không có lõi thép ( lò nồi ) . Lò máng dung lượng nhỏ và nhiệt độ thấp dùng để nấu chảy kim loại màu. Lò nồi có dung lượng nồi càng lớn thì tần số cáng giảm ( để nung nóng đều ). VËt nÊu M¸ng Hình 1.5. Lò máng 14
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực C¸c vßng c¶m øng Nåi Hình 1.6. Lò nồi - Thiết bị nung phôi cho rèn , dập, cán. Phôi càng lớn thì tần số làm viêc càng nhỏ. - Thiết bị tôi bề mặt thường làm việc ở tần số cao. Lớp tôi càng mỏng thì tần số làm việc cáng cao. - Thiết bị nung, sấy chất điện môI và bán dẫn. 1.7. Nguồn điện cao tần có thể được tạo ra bằng các cách sau: 1.7.1. Dùng máy phát điện tần số cao đã được chế tạo ở dải công suất 0,5 – 1500 Hz, ở dải tần số 500 – 8000 Hz đối với với tần số dưới 500 Hz người ta dùng máy phát đồng bộ cực lồi có số cặp cực lớn và số vòng quay cao vì : n.p f = (Hz) 60 Trong đó : p : số cặp cực. n : tốc độ quay roto, vòng /phút. Để tối ưu hóa quá trình công nghệ gia nhiệt, việc điều chỉnh dòng kích từ máy phát là rất quan trọng , nhằm ổn định điện áp máy phát ra cấp cho lò cảm ứng nhằm điều chỉnh cấp điện áp theo trị số mong muốn. Hoàn thiện nhất hiện nay là dùng bộ biến đổi kích từ bằng Thyristor , đảm bảo độ chính xác , ổn áp ± 1% với điện áp kích từ ( 0 ÷ 180 V) * Ưu điểm: - Đơn giản về cấu trúc, 15
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực - Độ tin cậy cao. - Có thể làm việc song song với các máy phát , vốn thấp nhất là khi công suất lớn. * Nhược điểm: - Có phần tử khó sửa chữa. - Diện tích lắp đặt lớn , làm việc ồn - Hiệu suất thấp khi tải nhỏ , bôi trơn làm lạnh phức tạp không thay đổi được tần số. 1.7.2. Đèn phát tần số: Dùng trong thiết bị gia nhiệt tần số thường là đèn 3 cực chân không . Tần số từ vài chục đến hàng trăm MHz. Đèn được làm mát bằng không khí ( công suất vài Kw ) hay bằng nước ( công suất lớn hơn, tới ngoài 100 kW ) . Khi làm việc , nhiệt độ Katot tăng từ nhiệt độ môi trường tới hơn 2000 0 C và điện trở của lò tăng tới 10 lần do đó khi bắt đầu làm việc, không được cấp ngay điện áp định mức vì dòng Katôt quá lớn gây hỏng đèn mà phải qua nhiều nấc tăng dần .Lúc làm việc cũng cần ổn định điện áp sợi đốt vì tăng điện áp lên 1% cũng sẽ làm tuổi thọ đèn giảm hơn 10%. * Ưu điểm: - Gọn nhẹ dễ sửa chữa. * Nhược điểm : - Hiệu suất thấp tuổi thọ , sợi đốt của đèn tiêu thụ từ 8 ÷ 30% công suất đèn . - Phải qua nhiều khâu biến đổi. 1.7.3. Dùng thyristor: là loại phổ biến nhất gồm hai khâu cơ bản là chỉnh lưu và nghịch lưu . Dòng điện tần số công nghiệp được chỉnh lưu và được biến đổi thành dòng cao tần nhưng còn bị hạn chế ở tần số cao và giải công suất lớn. Sử dụng tốt với các lò công suất nhỏ và vừa. 1.8. Ưu điểm , nhược điểm của lò cảm ứng không lõi sắt 1.8.1. Ưu điểm: - Luyện được hợp kim có độ sạch cao do không có các nguồn bẩn. Sự thấm H2 trong kim loại nhỏ hơn 40% so với các lò hồ quang và lò mác tanh . Kim loại luyện trong các lò cảm ứng không lõi sắt không có lõi sắt chứa tạp chất phi kim loại tương đối ít sự oxi hóa của bệ lò nhỏ hơn trong các lò khác do nhiệt độ thấp và điều kiện nung hiện đại hơn. 16
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực - Luyện được các hợp kim đồng nhất, thành phần hóa học trong bể lò đồng đều do sự sáo lộn gây ra bởi lực điện động Sự sáo trộn đó đồng thời làm dễ dàng cho việc tiến hành phản ứng giữa kim loại và xỉ. - Kim loại luyện có nhiệt độ cao và đạt được nhiệt độ cực đại trong toàn bộ khối kim loại không chỉ trong từng riêng biệt như trong lò hồ quang. - Kim loại cháy rất ít do nung kim loại từ trong ra ngoài. Điều này đặc biệt quan trọng khi luyện hợp kim có thêm chất hợp kim hóa hiếm và đắt cũng như khi luyện kim loại màu ( Sự cháy Nikien, Crôm, Vanadi, trong các lò cảm ứng không lõi sắt nhỏ hơn hai lần so với lò hồ quang ) - Hiệu suất của bản thân lò cao. - Năng suất cao do luyện nhanh. - Diện tích lò chiếm nhỏ do kích thước ngoài nhỏ hơn so với kích thước lò khác. - Điều chỉnh công suất và nhiệt độ đơn giản , dễ dàng trong phạm vi rộng. - Có khả năng luyện trong chân không hoặc trong môi trường khí đặc biệt. - Điều kiện lao động nhẹ nhàng và hợp vệ sinh. - Máy phát môtơ làm việc yên tĩnh hơn so với chế độ làm việc không ổn định của lò hồ quang. - Không tiêu hao điện cực. - Chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao hơn so với lò hồ quang về phương diện này việc so sánh giá thép được luyện trong các lò cảm ứng và lò hồ quang có tầm quan trong đặc biệt. * Người ta so sánh tại Thủy Điển trong một phân xưởng có năng suất 20.000 tấn thép trong một năm được trang bị theo hai phương án: 1/ Lò hồ quang 10 – 13 tấn công suất 5000kVA giá thành trang bị 1.800.000 cua-ron tiền Thụy Điển. 2/ Lò cảm ứng 3 – 8 tấn công suất 2700 kW, giá thành trang bị là 3.000.000 cua – ron. Kết quả cho thấy rằng phí tổn về hao mòn ở phương án thứ hai cao hơn phương án thứ nhất là 230.000 Cua- ron phí tổn về vận hành ở phương án thứ hai thấp hơn phương thứ nhất cụ thể: a) Điện cực : 250.000 Cua-ron. 17
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực b) Năng lương điện 32.000 Cua-ron. c) Sự cháy của các nguyên tố hợp kim 426500 Cua-ron . Do đó khi luyện trong phân xưởng với lò cảm ứng 20.000 tấn trong một năm tiết kiệm 487500 Cua-ron , cho phép hòa vốn về phương diện trang bị lò cảm ứng sau 3 năm so với các lò cảm ứng có lõi sắt , lò không có lõi sắt có ưu điểm là nó không có kênh , bản thân lò không có lõi sắt về cấu tạo là nồi lò chứa hợp kim nấu luyện và đặt vào trong cuộn cảm, được cung cấp bằng dây đồng điện xoay chiều nồi lò có cấu tạo đơn giản do đó dễ quan sát và không chịu áp suất thủy tĩnh của kim loại thân lò. Như vậy điều kiện làm việc của nồi trong lò không có lõi sắt dễ dàng hơn điều kiện của buồng đáy với kênh trong lò có lõi sắt. Đồng thời do cấu tạo nồi của lò không có lõi sắt mà kim loại được rót ra hoàn toàn sau mỗi mẻ luyện đó là giới hạn của lò có lõi sắt và kênh. Các đặc điểm này của lò cảm ứng không có lõi sắt không nhưng khắc phục được nhược điểm của lò cảm ứng có lõi sắt về cấu tạo mà còn cho phép luyện thép và các hợp kim khó chảy một cách hợp lý. 1.8.2. Nhược điểm: - Kê tương đối lạnh, khó tiến hành phản ứng giữa kim loại và xỉ do đó quá trình tinh luyện khó . Nhược điểm này là là đặc tính chung của lò có lõi sắt cũng như không có lõi sắt. Do xỉ trong các lò này không có dòng điện chạy qua và chỉ được nung bằng nhiệt của kim loại nấu trong lò. - Hiệu suất của toàn bộ thiết bị thấp do trong thiết bị cần có nguồn tần số cao cũng như cấn phải có các tụ điện . - Trang bị đi với thiết bị của lò không lõi sắt phức tạp và đắt. - Yêu cầu nhân viên phục vụ có trình độ cao. 1.9. Ứng dụng của của lò cảm ứng không lõi sắt. - Ứng dụng chủ yếu để luyện thép chất lượng cao và các hợp kim đặc biệt khác có yêu cầu độ sạch cao đồng đều và chính xác về thành phần hóa học. Các yêu cầu nay không thực hiện được trong các lò có ngọn lửa và lò hồ quang. - Luyện các loại thép thông thường trong các lò không có lõi sắt sẽ có tính kinh tế hơn so với các lò hồ quang , tương tự luyện các kim loại và hợp kim màu trong các lò điện không có lõi sắt sẽ kém kinh tế hơn so với các lò cảm ứng có lõi sắt như ta đã biết trong nhưng năm gần đây các thành tựu khoa học mới ra đời liên tiếp như: máy bay phản lực siêu âm dùng năng lương nguyên tử . yêu cầu tạo ta 18
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực hàng loạt những hợp kim đặc biệt chế tạo các hợp kim này, chủ yếu và đôi khi là duy nhất có thể dùng lò cảm ứng không lõi sắt .Do vậy sự phát triển của lò không có lõi sắt chậm hơn nên chỉ trong những năm gần đây mới chỉ sử dụng trong quy mô rộng lớn. Ta thử nghiên cứu của các nhà máy luyện kim đen ở Anh trong thời kỳ 1952 – 1954. Bảng 1.2. Trang bị cơ bản của nhà máy luyện kim đen ở Anh. Dạng lò Số lò điện trong năm % tăng sau 2 năm 1952 1953 1954 Lò hồ quang 134 142 151 11,3 Lò cảm ứng 64 69 73 11,4 Rõ ràng rằng mức độ sử dụng lò điện cảm ứng không có lõi sắt trong công nghiệp ở Anh cao hơn một chút so với mức độ sủ dụng lò hồ quang. Đặc điểm trên không những đặc trưng cho công nghiệp ở Anh mà còn ở nhiều nước khác như Thụy Điển . Năm 1951 Thụy Điển sản xuất 1475000 tấn thoi đúc trong đó - Lò điện hồ quang 34,8% - Lò điện cảm ứng 5,2% Và sản xuất 27200 tấn thép trong đó. - Lò điện hồ quang 62% - Lò điện cảm ứng 18,0% Trong các phân xưởng luyện thép ở Thụy Điển người ta đặt 33 lò cảm ứng dung tích từ 0,5 đến 12 tấn ( dung tích trung bình 3,8 tấn ) điện cấp từ 16 máy phát tổng công suất 19000 kW ( công suất trung bình 1185 kW ) ngoài ra còn đặt 39 lò cảm ứng trong phân xưởng đúc thép dung tích từ 0,5 đến 8 tấn ( dung tích trung bình 3,2 tấn ) cấp điện từ 22 máy phát tổng công suất 16500 kW( công suất trung bình 750 kW ) trong số lò lớn 5 lò có dung tích 5 tấn , 7 lò 8 tấn và 12 lò 12 tấn , năm 1951 người ta đã chế tạo thành công lò có dung tích 18 tấn . Ngoài luyện thép , lò cảm ứng được sử dụng rỗng rãi để đúc gang thay cho lò đứng. 19
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Đặc điểm kỹ thuật của các lò cảm ứng lớn chế tạo ở Thụy Điển như sau: Bảng 1.3. Đặc điểm kỹ thuật của các lò cảm ứng lớn chế tạo ở Thụy Điển Dung tích Công suất Điện áp Tần số Công suất Sốvòng (tấn) (kW) (V) (Hz) môtơ (kW) quay trong 1phút 5,5 1250/1700 1800 743/600 6000 1000 8,0 2700 1800 600 6000 1000 12 3400 2000 600 6000 1000 18 4400 2000 600 6000 1000 20
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU LÒ CẢM ỨNG VÀ MỘT SỐ LOẠI LÒ KHÁC 2.1. Lò cảm ứng 2.1.1. Sơ đồ chức năng của lò cảm ứng dùng bộ biến tần KĐK3 U = var U,I,f f = 50Hz U = var CL CKL NL Lò KĐK2 KĐCS KĐK1 KNg Hình 2.1. Sơ đồ khối chức năng của lò cảm ứng dùng bộ biến tần Trong sơ đồ khối chức năng của lò cảm ứng trung tần dùng bộ biến tần gồm các khâu chính sau: - Mạch lực gồm các khâu: + CL – Bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng tyristor biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành điện áp một chiều. 21
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực + NL – Khâu nghịch lưu cộng hưởng biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều cung cấp cho vòng cảm ứng của lò. + CKL – Khâu lọc điện áp một chiều dùng cuộn kháng lọc với với trị số điện cảm L khá lớn ( vì bộ nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu là bộ nguồn dòng ). + Lò trung tần có vòng cảm ứng cuốn xung quanh nồi của lò và một bộ tụ điện. - Mạch điều khiển gồm các khâu: + KNg – Khâu nguồn một chiều cung cấp cho tất cả các khâu trong mạch điều khiển. + KĐCS – Khâu điều chỉnh công suất tiêu thụ của lò cảm ứng. + KĐK - 2- Khâu điều khiển bộ chỉnh lưu. + KĐK - 1- Khâu điều khiển bộ nghịch lưu. + KĐK - 3- Khâu điều khiển công nghệ dùng rơle- công tắc tơ . đo lường và bảo vệ. 2.1.2. Sơ đồ nguyên lý lò cảm ứng Hiện nay chúng ta nhập rất nhiều lò trung tần nấu thép từ các nước khác nhau như : Anh , Mỹ, Nga , Trung Quốc có các thông số công nghệ sau: - Dung tích mỗi mẻ nấu từ 50 đến 2000 Kg. - Công suất tiêu thụ định mức của lò từ 100kW đến 1200 kW. Nhìn chung dù sản xuất khác nhau nhưng về cấu tạo , nguyên lý hoạt động sơ đồ khối chức năng về cơ bản giống nhau. Trên hình 2.2. là sơ đồ nguyên lý mạch lực lò trung tần nấu thép do Việt Nam lắp ráp. 22
25 KW 30 30 19 20 21 NACB R12 R13 151 C1 153 C3 155 C5 219 221 R1 R3 R5 C8 C9 31 33 13 14 15 LF 5 B2 V2 41 6 4 L7 L9 LH1 7 LK1 Hz 32 V2 LH2 8 LK2 62 63 V600 42 LH3 LK3 V 64 65 9 54 CF1 66 67 34 23 R7 R8 R9 55 c L8 L10 CF2 ự 68 RES2 RES2 RES2 16 17 18 69 ch l C6 C2 35 154 C4 156 37 ạ 70 152 R4 R6 R2 R14 R15 A1 22 23 24 222 220 C10 C11 A 36 36 tính toán m tính ế 28 29 LD 34 t k ế H×nh 2.2 S¬ ®å nguyªn lý lß trung tÇn nÊu thÐp ng 3: Thi ng 3: ươ Ch
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.1.3 Lò cảm ứng trung tấn nấu thép gồm các phần tử chính sau: 2.1.3.1. Máy cắt - đựơc điều khiển đóng ngắt tự động nhờ một động cơ công suất nhỏ, cũng có thể đóng ngắt trực tiếp bằng tay. Máy cắt được nối với nguồn điện áp xoay chiều ba pha điện ap 380 V cung cấp điện cho mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển. Hình 2.3. Máy cắt 2.1.3.2 CK. Cuộn kháng xoay chiều lõi không khí có chức năng hạn chế dòng ngắn mạch và hạn chế tóc độ tăng trưởng dòng điện bảo vệ các tiristor chỉnh lưu T- CL1 ÷ T- CL 6. Hình 2.4. Cuộn kháng xoay chiều 24
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.1.3.3. Tyristor chỉnh lưu T- CL1 ÷ T- CL6 chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều ba pha thành nguồn điện áp một chiều. Hình 2.5. Thyristor chỉnh lưu 2.1.3.4. Cuộn kháng LD – cuộn kháng lọc có tác dụng san phẳng dòng điện một chiều có giá trị điện cảm rất lớn. Mạch từ là mạch từ hở để tránh hiện tượng bão hòa. Cuộn kháng một chiều có hai phần lớn , mỗi phần lớn lại gồm có năm vòng lớn và trong mỗi vòng lớn lại gồm năm vòng nhỏ. Hình 2.6. Cuộn kháng lọc một chiều 25
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.1.3.5. Tyristor nghịch lưu T-NL1 ÷ T- NL4 là bộ nghịch lưu công hưởng, nối theo sơ đồ cầu một pha có tác dụng biến nguồn điện áp một chiều thành nguồn điện áp xoay chiều, điện áp ra trên tải có dạng gần hình sin. Hình 2.7. Thyristor nghịch lưu 2.1.3.6. Vòng cảm ứng – là phụ tải của của bộ nghịch lưu cộng hưởng.Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ÷ 30% công suất hữu ích của thiết bị do vậy cần làm mát vòng cảm ứng. Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ÷ 5 A/mm 2 . Còn làm mát bằng nước chảy trong ống tiết diện tròn thì cho phép mật độ dòng điện lên tới 10 ÷ 30 A/mm 2 . Hình 2.8. Lò nấu kim loại 26
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.1.3.7. Tụ điện – được nối song song và nối tiếp với vòng cảm ứng để tạo thành mạch vòng dao động. Tụ điện dùng trong sơ đồ của thiết bị gia nhiệt tần số nhằm làm chức năng phân ly dòng điện một chiều và bù hệ số công suất cosϕ của lò. Các tụ điện này chịu được điện áp cao ( tới 1000 V ) và chịu được tần số cao ( tới 10kHz ) tùy theo từng thiết bị gia nhiệt. 2.1.3.8. Dây dẫn cao tần Dây dẫn cao tần có cảm kháng đặc biệt lớn do hiệu ứng bề mặt , hỗ cảm và chúng phụ thuộc vào tấn số. Dây dẫn ở đây là các thanh cái phẳng , có ống rỗng có nước làm mát, cáp đồng trục cao tần hay cáp một ruột hoặc nhiều ruột. Cáp đồng trục có trở kháng và cảm kháng nhỏ so với các loại dây dẫn thông thường nhưng nó có cấu tạo phức tạp và tốn vật liệu hơn. Hiện nay đã có cáp chịu được điện áp 2000 V dòng điện 500A tần số 10000 kHz. 2.1.3.9. Bảng điều khiển - đựơc dùng để điều khiển các khâu như cấp nguồn một chiều cung cấp cho tất cả các khâu trong bảng điều khiển , điều chỉnh công suất tiêu thụ trong lò cảm ứng, điều khiển bộ chỉnh lưu , điều khiển bộ nghịch lưu, điều khiển công nghệ dùng rơle – công tắc tơ đo lường và bảo vệ. Hình 2.9. Bảng điều khiển 27
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.1.3.10. Các máy biến dòng cao - để biến đổi dòng điên cao từ 2000 ampe xuống dòng điện 5 ampe. Hình 2.10. Biến dòng cao - Sơ đồ nguyên lý máy biến dòng: S1 T1 IIsc tc I tc R n T2 S1 Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý máy biến dòng Khi có dòng điện đi qua phía sơ cấp thì khi đó: Itc = Isc/n Trong đó : Isc : Dòng điện đi qua cuộn sơ cấp, Itc : Dòng điện đi qua cuộn thứ cấp, n : Tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, 2.1.3.11. Các máy biến dòng hạ - để biến đổi dòng điên từ 5 ampe xuống dòng điện 0,2 ampe. 28
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.1.3.12. Aptômat : là áp tô mát có ba tiếp điểm được mắc trực tiếp vào mạng điện xoay chiều ba pha điện áp 380 V. Có chức năng đóng cắt tự động khi quá tải hoặc ngắn mạch. Cấp nguồn cho khởi động từ. Hình 2.12. Aptomat 2.1.3.13. Khởi đông từ ( Công tắc tơ ) Là khí cụ điện dùng để đóng cắt thường xuyên mạch điện động lực từ xa , bằng tay hoặc bằng tự động . Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng nam châm điện , thủy lực hay khí nén gần đây người ta thường dùng loại đóng cắt bằng nam châm điện Công tắc tơ có cấu tạo gồm hai cực , ở mỗi cực có hai tiếp điểm là tiếp điểm chính ( tiếp điểm làm việc) và tiếp điểm dập hồ quang. Hình 2.13 Khởi động từ 29
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Khởi động từ được dùng ở đây để cấp nguồn cho máy biến áp và chống đóng điện trở lại khi mất điện. 2.1.3.14. Mạch RC bảo vệ quá điện áp: - Tiristor rất nhậy cảm với điện áp quá cao so với điện áp định mức . - Nguyên nhân gây ra hiện tượng quá áp là sự tích tụ điện tích trong các van bán dẫn, khi khoá tiristor bằng điện áp ngược các điện tích trên đồi ngược hành trình tạo nên dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên đột ngột nhanh chóng của dòng điện ngược tạo ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm dẫn đến các tiristor xuất hiện quá áp. - Để bảo vệ quá áp do tích tụ điện tích gây ra người ta dùng mạch RC ghép song song với van. Trên hình là hai điện trở mắc nối tiếp và mắc nối tiếp với tụ điện C. Hình 2.14. Mạch RC 2.1.3.15. Điện trở Shunt được dùng để đo dòng điện chỉnh lưu. Hình 2.15. Điện trở shunt 30
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.1.3.16. Biến áp xung nghịch lưu dùng để phát xung điều khiển đóng mở các van nghịch lưu. Hình 2.16. Biến áp xung nghịch lưu 2.1.3.17. Biến áp công suất có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện áp 1000 V về hai mức điện áp 100 V và 20 V cấp cho đồng hồ đo và bảng điều khiển Hình 2.17. Biến áp 2.1.3.18. Biến áp nguồn có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện một pha 220 V về điện áp 18 V cấp cho bảng điều khiển 31
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Hình 2.18. Biến áp Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh , làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ , dùng để biến đổi hệ thống điện có điện áp U1( dòng điện I1 tần số f1 ) thành hệ thống có điện áp U2 ( dòng điện I2 tần số f2 ) . ở máy biến áp việc đổi điện áp chỉ thực hiện được khi dòng điện là xoay chiều hoặc dòng điện biến đổi xung . Máy biến áp được dùng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Ngoài ra máy biến áp cũng được dùng cho một số yêu cầu như nối mạch chỉnh lưu và làm nguồn cấp cho lò điện Máy biến áp có một hoặc hai dây quấn đặt chung trên một mạch từ. Các dây nối có thể nối với nhau hoặc không nối với nhau, khi chúng nối với nhau người ta gọi là máy biến áp tự ngẫu. U2,f U1,f U3,f Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý *Ngoài ra còn Các đồng hồ đo điện áp, đo dòng điện, đo tần số , đo lưu lượng nước. Bốn nút ấn hai nút ấn điều khiển hoạt động của động cơ của máy cắt. Hai nút ấn điều khiển hoạt động của khơi động từ. Và biến trở. 32
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.1.4. Đặc điểm nguyên lý lò trung tần nấu thép phần chỉnh lưu Phần chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Thường là bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng gồm 6 diode hoặc 6 Thyristor có góc mở α nhỏ do đó có ưu điểm là điện áp chỉnh lưu cao Ud = 2,34 U2 , hệ số đập mạch nhỏ, có công suất đầu ra xấp xỉ công suất đầu vào S ≈ 1,05.Pd. P NAC B TT1 C1 35C T C R1 R R LH1 7 LK1 LH2 LK2 V600 LH3 LK3 V R7 R8 R9 RES2 RES2 RES2 T2 C TT4 C 6 C R R R A1 A LD Q Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý lò trung tần nấu thép phần chỉnh lưu 33
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực UaUb Uc Uf t13tt5 t24tt6 Ud Uab Uac Ubc Uba Uca Ucb iT1 iT3 iT5 iT2 iT4 iT6 id uV1 Ungmax Uac Uab Hình 2.21. Đồ thị dạng dòng điện , điện áp trên sơ đồ mạch chỉnh lưu. 34
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Phần chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu ba pha có điều khiển, các van điều khiển là các thyristor. Mạnh chỉnh lưu được lấy nguồn từ nguồn điện áp xoay chiều ba pha điện áp 380 V. Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện áp xoay chiều ba pha thành nguồn điện một chiều cung cấp cho mạch ngịch lưu. Ta có đồ thị như hình vẽ với góc điều khiển α = 30 0 Dòng chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình vẽ cần mở Tiristo T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristo T4 của pha B phía catod các thời điểm tiếp theo cũng tương tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha. Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 ÷ t2 pha A có điện áp dương hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4 dòng điện dược chạy từ A về B. Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau. Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 ÷ t3 như trên hình vẽ Tiristo T1 nhóm anod dẫn, nhưng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1 ÷ t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ÷ t3. Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đường cong cuối cùng của hình vẽ) trong khoảng t1 ÷ t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0, trong khoảng t3 ÷ t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngược UBA, đến khoảng t5 ÷ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngược UCA. Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc α > 600 và thành phần điện cảm của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn. Trong các trường hợp này dòng điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng, cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có phân cực ngược nên chúng tự khoá. 35
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng như đã nói trên là cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa. Để đơn giản hơn người ta có thể sử dụng điều khiển không đối xứng. Trên đồ thị điện áp các pha ta biểu diễn quá trình điều khiển các van riêng rẽ cho các thyristor nhóm catốt chung và nhóm anốt chung. Đường bao phía trên của đường điện áp pha cho ta hình dạng thế của điểm ra tải P khi van T1, T3, T5, được điều khiển với góc α so với các điểm chuyển mạch tự nhiên. Đường bao phía dưới của các đường điện áp cho ta hình dạng thế của điểm ra tải Q khi van T2, T4, T6, được điều khiển với góc α so với các điểm chuyển mạch tự nhiên. Dạng thế của P và Q so với điểm trung tính của nguồn giống với dạng điện áp ra của các chỉnh lưu 3 pha hình tia . Nếu đo điện áp giữa P và Q ta có được điện áp ra của chỉnh lưu cầu 3 pha được biểu diễn trên hệ thống điện áp dây Uab, Uac, Ubc, . Với tải thuần trở dạng dòng điện trên tải lặp lại giống như dạng điện áp trên 0 Ud. Góc giới hạn giữa dòng liên tục và dòng gián đoạn là 60 . Nếu α ≤ 60 0 thì dòng điện sẽ liên tục ta có công thức là: Udα = Ud0.cosα = 2,34 U2 cosα . Nếu góc α ≥ 60 0 thì dòng điên sẽ gián đoạn ta có công thức là: 3 6 1+ cos(α + 600 ) Udα = U2 . π 2 36
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.1.5. Đặc điểm nguyên lý lò trung tần nấu thép phần nghịch lưu Nghịnh lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nguồn điện một chiều ở đây được cung cấp bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển Nghich lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành nguồn dòng xoay chiều có tấn số tuỳ ý. Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cung cấp cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng , do đó điện cảm đầu vào phải có giá trị lớn vô cùng để đảm bảo dòng là liên tục. * Ưu điểm: - Mạch điều khiển đơn giản do quá trình chuyển mạch đơn giản và việc điều chỉnh công suất của biến tần nguồn dòng chủ yếu được thực hiện phía chỉnh lưu. - Thường được ứng dụng đối với lò công suất nhỏ vì vậy được sử dụng khá phổ biến. * Nhược điểm : - Do nguồn dòng không được hở mạch , do đó phải điều chỉnh công suất ở phía chỉnh lưu. Vì vậy hệ số công suất truyền tải qua bộ chỉnh lưu thấp khi điều khiển sâu điện áp một chiều .Điện áp van phụ thuộc vào điện áp trên tải nếu lò công suất lớn thì điện áp rất lớn vì vậy nghịch lưu nguồn dòng không được cho lò công suất lớn. Từ sơ đồ nghịch lưu dòng một pha ở trên ta thấy các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi một tức là Tiristo T11,T13 thì lệch pha với với tín hiệu điều khiển đưa 0 vào Tiristo T12,T14 một góc 180 . Điện cảm đầu vào của nghịch lưu đủ lớn ( Ld = ∞ ) , do đó dòng điện đầu vào được san phẳng , nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lưu có dạng xung vuông. 37
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực iZ iZ + Ld KW T11 R T12 R C C iZ LF B2 V2 L7 L9 Hz 32 V2 '+' i CF1 c '-' L8 L10 CF2 T14 R T13 R C C - Hình 2.22. Sơ đồ nguyên lý lò phần nghịch lưu 38
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực T iN Id t O t id t iC t iZ t iT1 iT2 t U T1 t t1 t1' tk Hình 2.23. Biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha 39
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Khi đưa xung vào mở cặp van T11,T13 , dòng điện iN = id = Id . Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “ +” ở bên trái và dấu “ – “ ở bên phảI . Khi tụ C nạp đầy dòng qua tụ giảm về không . Do iN = iC + iZ = Id = hắng số, nên lúc đầu dòng qua tảI nhỏ và sau đó dòng qua tảI tăng lên. Sau một nửa chu kỳ ( t = t1 ) người ta đưa xung vào mở cặp van T12,T14 . Cặp T12,T14 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-“ . Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T11,T13 sẽ làm cho T11,T13 bị khoá lại. Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “+” ở bên phả và cực tính “-“ ở bên trái. Dòng iN = id = Id nhưng đã ngược dấu .Đến thời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mở T11,T13 thì T12,T14 sẽ bị khoá lại và quá trình được lặp lại như trước .ở thời điểm t1 , khi mở T12,T14 thì T11,T13 sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên . Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược là cần thiết để duy trì quá trình khoá để phục hồi tính chất điều khiển của van. β chính la góc khoá cua nghịch lưu. 2.2. Lò điện trở 2.2.1. Khái niệm Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt ( dây điện trở ). Từ dây đốt , qua bức xạ , đối lưu và truyền nhiệt dẫn nhiệt , nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt . Lò điện trở được dùng để nung , nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu . 2.2.2. Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ vật liệu thoả mãn các yêu cầu sau : - Chịu được nhiệt độ cao. - Độ bền cơ khi lớn. - Có điện trở suất lớn ( vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài khó bố trí trong lò hoặc tiết diện dây phải nhỏ, không bền ) - Hệ số điện trở nhỏ ( vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo công suất lò ). - Chậm hoá già ( tức là dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian , do đó đảm bảo tuổi thọ lò ). 40
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Vật liệu dây đốt có thể là - Hợp kim : Cr – Ni, Cr – Al . với nhiệt độ lò làm việc dưới 1200 0 C. 0 0 - Hợp chất : SiC, MoSi2 với nhiệt độ làm việc 1200 C ÷ 1600 C; 0 - Đơn chất : M0 , W, C, Với lò có nhiệt độ làm việc cao hơn 1600 C; Bảng 2.1. Một vài thông số cơ bản của vật liệu làm dây đốt lò điện trở. Thành phần hóa học (%) Hệ số ( còn lại là Fe và các chất khác ) Nhiệt độ nhiệt Điện Vật liệu làm việc điện trở ( trở suất 0 −3 −6 Cr Ni Al SiC SiO2 max ( α.10 (10 Ω ) C.) độ −1 ) Cr – Ni 20-23 75-78 1100 0,035 1,15 Cr – Ni 15-18 55-61 1000 0,1 1,10 Cr – Al 12-15 3-5 850 1,26 Cr – Al 23-27 4-6 1200 1,25 SiC 94,4 3,6 1500 2.10 −3 Gr 2800 8-13 Mo 2000 5,1 0,052 Ti 2500 4,0 0,15 W 2800 4,3 0,05 2.2.3. Tính toán dây đốt Xuất phát từ năng suất lò , ta tính toán ra công suất lò tiêu thụ từ lưới điên. M kg Năng suất lò là: A = ( ) t s Trong đó : M : Khối lượng vật gia nhiệt (Kg), T : Thời gian gia nhiệt (s) Nhiệt lượng hữu ích cần cấp cho vật gia nhiệt : 0 0 Q = M . c ( t 2 - t 1 ), (J), Trong đó : c : nhiệt dung riêng trung bình trong một khoảng nhiệt độ 0 0 (t 2 - t 1 ), (J/Kg, độ) 41
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 0 0 t 2 ,t 1 : Nhiệt độ lúc ban đầu và lúc gia nhiệt của vật gia nhiệt Công suất hữu ích của lò : Qhi 0 0 Phi = = A. c ( t - t ), (W), t 2 1 Phi Công suất lò: Plò = (W). η Trong đó : η : Hiệu suất lò . Thường lò có hiệu suất là η = 0,7 ÷ 0,8 Công suất đặt của thiết bị : P = k.Plò Trong đó: k là hệ số dự trữ, tính đến tình trạng điện áp lưới bị tụt thấp, do dây hoá già mà điện trở tăng lên. k = 1,2 ÷ 1,3 đối với lò làm việc liên tục k = 1,4 ÷ 1,5 đối với lò làm việc theo chu kỳ. Từ công suất P , có thể tính gần đúng mật độ công suất dây đốt một pha. Đó là khả năng cấp nhiệt của đốt trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt dây. P W Wdd = , ( 2 ) m.Fdd m Trong đó : m : số pha . Fdd : Diện tích bề mặt của dây đốt một pha. 2.2.4. Sơ bộ kết cấu lò điện trở Các lò điện trở hiện nay ở Việt Nam có nhiều loại và nguồn gốc khác nhau. Đa phần là lò Liên Xô (cũ), một số khác của Đức, Tiệp, Hung và một số lò thí nghiệm hoặc lò công suất nhỏ dùng để nung, sấy, nhiệt luyện của Mỹ, Pháp Nói chung các lò đều có kết cấu tương tự nhau. Lò buồng là loại lò vạn năng nhất. Lò gồm buồng nung hình hộp chữ nhật với kích cỡ tuỳ thuộc công suất lò. Buồng nung được lót cách nhiệt và tạo thành áo lò. Áo lò xây bằng gạch chịu lửa có nhiều lớp. Lớp ngoài cùng xây bằng gạch samôt hay bột samôt có độ cách nhiệt cao . Bọc ngoài là vỏ tôn dày 5 đến 10 mm. Đáy lò bằng thép chịu nhiệt, đúc liền bằng những miếng nhỏ hoặc đáy lò xây bằng gạch chịu lửu . Thành trong của buồng lò có đặt dây đốt. Dây đốt được bố trí cả phía đáy và phía đỉnh . Cửa lò tuỳ kiểu và công suất lò, có thể mở bằng tay hoặc bằng 42
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực cơ cấu cơ khí. Cửa lò có lỗ thăm để quan sát phía trong lò. Ngoài ra lò còn có đầu ra của dây, cửa khí để dẫn khí bảo vệ vào lò để thâm nhập vào buồng lò qua cửa lò gây hiện tượng ôxi hoá, thoát cacbon của vật gia nhiệt, đầu đo nhiệt ở đỉnh lò hay bên hông 2.3. Lò hồ quang 2.3.1. Khái niệm chung và phân loại 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 hồ quang dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao. Phân loại lò hồ quang: a) Theo dòng điện sử dụng : - Lò hồ quang một chiều. - Lò hồ quang xoay chiều. b) Theo cách cháy của ngọn lửa : - Lò nung nóng gián tiếp : nhiệt của ngọn lửa xảy ra giữa hai điện cực, được dùng để nấu chảy kim loại. Hình 2.24. Lò hồ quang nung nóng gián tiếp -Lò nung nóng trực tiếp : nhiệt của ngọn lửa hồ quang xay ra giữa 2 điện cực để nấu chảy kim loại. 43
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Hình 2.25. Lò hồ quang nung nóng trực tiếp c) Theo đặc điểm chất liệu vào của lò: - Lò chất liệu ( rắn , kim loại vụn ) bên sườn bằng phương pháp thủ công hay máy móc (máy chất liệu, máy trục máng) qua cửa lò. - Lò chất liệu trên đỉnh lò xuống nhờ gầu chất liệu. Loại lò này có cơ cấu nâng vòm nóc. 2.3.2. Kết cấu của lò hồ quang Cấu tạo của lò hồ quang gồm các bộ phận chính: - Nồi lò có lớp vỏ cách nhiệt và cửa lò có miệng rót. - Vòm nóc lò có vỏ cách nhiệt . - Cơ cấu giữ và dịch chuyển điện cực, truyền động bằng điện hay thuỷ lực. - Cơ cấu nghiêng lò truyền động bằng điện hay thuỷ lực. - Phần dẫn điện từ biến áp lò tới lò. Ngoài ra , đối với lò hồ quang nạp liệu từ trên cao còn có cơ cấu nâng quay vòm lò cơ cấu rót kim loại cũng như gàu nạp liệu. Trong các lò hồ quang có lò nồi sâu , kim loại lỏng ở trạng thái tĩnh có chênh lệch nhiệt độ theo độ cao (khoảng 100 0 C/m). Trong điều kiện đó để tăng 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 6 tấn thì việc khuấy trộn thực hiện bằng tay qua cơ cấu cơ khí. Với lò dung lượng trung bình và đặc biệt lớn (100T và hơn) thì thực hiện bằng thiết 44
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực bị khuấy trộn để không những giảm lao động vất vả của các thợ nấu mà còn nâng cao chất lượng của kim loại nấu. Thiết bị khuấy trộn kim loại thường là thiết bị điện từ có nguyên lý làm tương tự động cơ đồng bộ rôto ngắn mạch . Từ trường chạy tạo ra ở lò có đáy phi kim loại nhờ hai cuộn dây dòng xoay chiều 0,5 đến 1 Hz lệch pha nhay 90 0 do từ trường này mà kim loại có lực điện từ dọc trục . Khi đổi nối dòng trong các cuộn dây có thể thay đổi hướng chuyển động củ kim loại trong nồi theo hướng ngược lại. Các thông số quan trọng của lò hồ quang: - Dung lượng định mực của lò: số tấn kim loại trong một mẻ nấu. - Công suất định mức của biến áp lò : ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian nấu luyện tức là tới năng suất lò. 2.3.3. Chu trình làm việc của lò hồ quang gồm ba giai đoạn : a) Giai đoạn nung nóng nhiện 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 toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm khoảng 50% ÷ 60% toàn bộ thời gian một chu trình. Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang phải cháy ôn định . Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần , khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên. Để duy hồ quang điện cực phải đựơc điều chỉnh gần vào kim loại. Lúc đó dễ xảy ra hiện tượng điện cực bị chạm vào kim loại gọi là quá điều chỉnh và gây ra ngắn mạch làm việc. Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trong thời gian ngắn nhưng lại hay xảy ra nên các thiết bị điện trong mạch động lực thường phải làm việc trong điều kiện nặng nề. Đây là đặc điểm nổi bật cần lưu ý khi tính toán và chọn thiết bị cho lò hồ quang. Trong giai đoạn này , số lần ngắn mạch làm việc có thể lên tới 100 lần Mỗi lần xảy ra ngắn mạch làm việc , công suất hữu ích giảm mạnh và có khi bằng không với công suất tổn hao cực đại. Thời gian cho phép của một lần ngắn mạch từ 2 ÷ 3 giây. b) Giai đoạn ôxi hoá và hoàn nguyên. Đây là giai đoạn khử C của kim loại đến một giới hạn nhất định tuỳ theo yêu cầu công nghệ, khử P và S khử khí trong gang và tinh luyện. Sự cháy hoàn toàn các bon gây sôi mạnh kim loại. Ở giai đoạn này , công suất nhiệt yêu cầu của kim loại là để bù lại các tổn hao 45
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực nhiệt và nó bằng khoảng 60% công suất nhiệt của giai đoan một . Hồ quang cần duy trì ổn định. Trước khi thép ra lò phải qua giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử oxi hoá khử sunfua và hợp kim hoá kim loại công suất yêu cầu lúc này cỡ 30% so với giai đoạn một. Chế độ năng lượng tương đối ổn định và chiều dài ngọn lửa hồ quang khoảng và chục mét. c) Giai đoạn phụ đây là giai đoạn lấy sản phẩm đã nấu luyện , tu sửa làm vệ sinh và chất liệu vào lò. 2.3.4. Lò hồ quang chân không Nấu kim loại bằng lò hồ quang chân không sẽ loai 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 Do vậy lò hồ quang chân không được ứng dụng trong : - Sản xuất các vật liệu chịu nhiệt và có hoạt tính hoá học mạnh - Sản xuất kim loại hiếm. - Sản xuất các 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 kĩ thuật như nguyên tử vũ trụ. 2.3.4.1. Lò hồ quang chân không có hai loại: - Lò hồ quang có điện cực không tiêu tốn bằng graphit hay bằng đồng với đầu điện cực vonfram có làm mát bằng nước. Loại lò này khó đảm bảo chất lượng cao của kim loại nấu luyện vì thành phần bị làm bẩn bởi các điện cực khi nấu luyện. - Lò có điện cực tiêu tốn là chính kim loại nấu luyện . Loại này thường được sử dụng nhiều. 2.3.4.2 Kết cấu lò hồ quang chân không bao gồm các bộ phận chính: Khuôn kết tinh ở dạng ống đồng có vỏ làm mát bằng nước. Thường làm 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. 46
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 3 - 5Hz 380V CDCL MC BAL KBH KBH A B§K LV §K CC VD K K 1CD 2CD Lß 1 Lß 2 Hinh 2.26. Sơ đồ mạch lực lò hồ quang chân không. - Cơ cấu treo và dịch điện cực . Hệ treo có thể là mềm (tời xích) hay cứng ( vít thanh răng ) và tốc độ dịch cực 20 dến 300 mm/ph. - Buồng làm việc có ống nạp liệu hay phễu. - Hệ thống bơm chân không dụng cụ đo. 47
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực - Hệ thống làm mát lò. - Nguồn cấp và hệ thống điều khiển - Nếu nấu luyện trong khí trơ thì có hệ thống truyền khí trơ. Hồ quang dùng trong lò chân không phổ biến là hồ quang một chiều do có tính chất cháy ổn định. Đặc điểm của đặc tính vôn-ampe của hồ quang chân không là điện áp tương đối thấp nên để đảm bảo công suất thì cần nguồn có dòng lớn, dây dẫn lớn. Sơ đồ sử dụng các chỉnh lưu tới 200A gồm nhiều điôt mắc song song. Do thời gian rot kim loại lỏng và chuẩn bị mẻ nấu tiếp theo là bằng hoặc lớn hơn thời gian nấu nên cần một mạnh lực cấp điện cho hai lò làm việc luân phiên. Cuộn sơ cấp biến áp lò điều chỉnh được điện áp dưới tải và được cấp điện từ luới qua cầu dao cách ly và máy cắt dầu Hai bộ chỉnh lưu cấp điện từ hai cuộn thứ cấp 3 pha qua cuộn kháng bão hoà KBH có cuộn làm LV xoay chiều và điều khiển ĐK một chiều cấp từ bộ điều khiển BĐK. Sơ đồ chỉnh lưu là hình tia và có cấp cho lò hồ quang chân không qua cuộn kháng sau bằng K. Các cuộn thứ cấp ba pha có điểm nối chung ngược cực tính để giảm hệ số đập mạch sau khi chỉnh lưu.Trong lò hồ quang chân không có điện cực tiêu tốn việc dich chuyển điện cực cần đảm bảo theo tốc độ làm việc tương ứng cũng như đảm bảo trừ khử nhanh ngắn mạch và lắp ráp nhanh. Phạm vi điều chỉnh cỡ 200:1 và hơn Trong truyền động dịch chuyển điện cực bằng điện cơ , người ta dùng hộp giảm tốc độ có li hợp điện từ tác động nhanh. Hệ tự động hồ quang chân không cần đảm bảo các thao tác sau: - Châm lửa hồ quang chân không không tạo ngắn mạch - ổn định độ dài cung lửa hồ quang đã cho. - Dịch chuyển điện cực tiêu tốn theo tốc độ chảy - ặn định công suất hồ . - Nhanh chóng trừ khử ngắn mạch. - Nhanh chóng hạ điện cực khi hồ quang phóng về thành lò. 2.3.5 Lò hồ quang plasma Lò hồ quang plasma là lò hồ quang sử dụng plasma lạnh . Đó là khí ion hoá có mức ion hoá khoảng 1% ( tỉ số giữa số ion trên tổng số phần tử ). Plasma nhiệt độ thấp được sử dụng rộng rãi trong các quá trình như : Nấu luyện quặng, hợp kim, 48
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực tinh luyện thép và hợp kim chất lượng cao, chịu nhiệt và tổng hợp các chất khác nhau Ưu việt của lò hồ quang plasma là tập trung năng lượng nhiệt lớn trong một vùng thể tích nhỏ nên đảm bảo nhiệt độ quá trình rất cao. Do vây tăng đựơc khả năng phản ứng và tốc độ phản ứng. Trạng thái kính thích của nguyên tử ở nhiệt độ cao còn cho phép gây phản ứng để tạo các mối liên kết mà không thể thực hiện được ở các điều kiện bình thường. Phần tử cơ bản của lò hồ quang plasma là plasmatron ở đó điện năng của nguồn cấp được biến đổi thành nhiệt năng của dòng plasma nhiệt độ thấp . Ta có thể coi plasma như một nguồn phát plasma nhiệt độ thấp. Môi trường tạo ra plasma là các hỗn hợp đa thành phần như : N, H, Ar Phân loại plasmatron theo nguyên lý biến đổi điện năng thành nhiệt năng có: plasma HQ, cảm ứng và điện từ. Theo dòng điện có plasmatron dòng một chiều, dòng xoau chiều tần số công nghệp và cao tần. Loại hồ quang một chiều được dùng phổ biến hơn cả do tính ôn định cao của hồ quang. Trong plasmatron hồ quang thì loại tác dụng trực tiếp được dùng là chính. Đó là các lò có anốt nóng chảy. KhÝ 1 4 2 R Nuíc 3 Hình 2.27. Sơ đồ nguyên lý của plasmatron 49
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Plasmatron gồm điện cực 1 có dạng thanh và bình 2 được bằng nước đặt đồng trục với điện cực. Trong plasmatron một chiều thì điện cực là catôt và với cực (-) của nguồng cấp 4. Catốt làm bằng kim loại chịu nhiệt ( W,Ti) có thêm chất phát xạ như oxyt thori . Bình làm mát bảo vệ catôt khỏi kim loại bắn toé vào và tạo hướng chuyển động cho khí. Hồ quang 3 cháy giữa catôt và bình 2 . Nếu để hồ quang hở thì mật độ dòng tương đối không lớn , khoảng 1 ÷ 30 A/mm 2 và nhiệt độ không quá 10 40K . Để nâng cao tập trung năng lượng trong một đơn vị thể tích và nhiệt độ của plasma, người ta dùng nhiều cách khác nhau để nen hồ quang. Người ta có thể làm lạnh cưỡng bức đồng thời nén cột hồ quang bặng không khí , cũng có thể nén hồ quang bằng từ trường ngoài , hay bằng điện trường ngoài Khí tạo plasma đã nén được thổi dọc điện cực và ra qua một lỗ nhỏ dưới bình2 . Luồng khí sẽ thổi hồ quang xuống phần dưới và trong điều kiện lỗ nhỏ sẽ tăng mật độ dòng điện và nhiệt độ plasma hồ quang . Sau khi ra khỏi bình với tốc độ lớn, khí nén tức thời giãn nở tạo thành dòng plasma sáng chói. Mật độ dòng hồ quang trong plasmatron cao hơn nhiều mật độ dòng hồ quang tự do. Nếu thổi khí tạo plasma đã được nén theo tiếp tuyến đối với trục plasmatron thì khí sẽ ôm cột hồ quang và chuyển động xoáy tạo thành dòng plasma xoáy. Phương pháp mồi hồ quang trong plasmatron dụng phổ biến trong thực tế là phóng điện cao áp , phóng điện cao tần và phun plasma. Khi xung cao áp truyền tới các điện cực của plasmatron sẽ xuyên qua khoảng không gian giữa các điện cực và tạo phóng điện hồ quang. Nguồn cấp cho lò hồ quang có thể là các bộ biến đổi chỉnh lưu không điều khiển hay có điều khiển. Yêu cầu cơ bản đối với khôi nguồn là có đặc tính ngoài dốc đứng hay thẳng đứng ( nguồn dòng ). Đặc tính dốc thẳng đứng sẽ loại trừ khả năng dòng bị dao động khi điện áp hồ quang thay đổi tức ổn định tốt dòng hồ quang. Thiết bị khuấy trộn kim loại lỏng làm nhiệm vụ khuấy trộn kim loại lỏng trong lò hồ quang , chống sự chênh nhiệt độ kim loại theo độ sâu của lò. Kim loại lỏng trong nồi được khuấy trộn nhờ thiết bị điện từ nhiều loại khác nhau, dụng dòng xoau chiều cũng như dòng một chiều. 50
25 C KW 30 30 Ự 19 20 21 NCBA R12 R13 151 C1C153 3 155 C5 219 221 R1R3 R5 C8 C9 CH L 31 33 13 14 15 Ạ LF 5 B2 V2 41 6 4 L7 L9 LH1 7 LK1 V2 Hz LH2 LK2 32 8 nguyên lý NG 3 NG 3 62 63 V600 42 LH3 V đồ LK3 64 65 9 54 CF1 ơ 51 34 S ƯƠ 66 67 c ự R7 R8 R9 55 CH L8 L10 CF2 ch l 68 RES2 RES2 RES2 ạ 16 17 18 TÍNH TOÁN M TÍNH 69 Hình 3.1. C6 C2 35 Ế C4 70 154 156 152 37 R4 R6 R2 R14 R15 A1 T K 22 23 24 222 220 C10 C11 Ế tính toán m tính ế A 36 36 t k ế THI 28 29 LD 34 đồ ơ ng 3: Thi ng 3: ươ 3.1. S Ch
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 3.2. Thyết minh: Sơ đồ mạch lực gồm có: - Máy cắt : Dùng để đóng cắt nguồn bảo vệ ngắn mạch - Bộ chỉnh lưu : Dùng để biến nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều đập mạch. - Cuộn kháng một chiều: Dùng để sản phẳng dòng điện một chiều. - Biến dòng cao: dùng để biến đổi dòng điện từ 2000 (A) xuống còn 5 (A). - Biến dòng hạ : Dùng để biến đổi dòng điện từ 5 (A) xuống còn 0.01(A). - Mạch R- C được mắc song song với tải nhằm bảo vệ quá áp - Cuộn kháng không khí : hạn chế tốc độ tăng trưởng dòng điện. - Bộ nghịch nghịch lưu: Biến nguồn điện áp một chiều thành nguồn điện áp xoay chiều. - Điện trở shunt dùng để đo dòng điện. - Giàn tụ: dùng để bù hệ số công suất - Lò dùng để nấu thép - Các đồng hồ dùng để đo dòng điện một chiều, đo điện áp nguồn, đo điện áp một chiều, đo tần số , đo lưu lượng nước. - Máy biến áp dùng để thây đổi điện áp theo yêu cầu. *Như vậy bộ biến tần gồm có bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển biến điện áp xoay chiều tần số 50 Hz thành điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu cầu một pha nguồn dòng . Sau đó bộ nghịch lưu biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều tần số cao cung cấp cho lò cảm ứng. 3.3. Số liệu tính toán - Điện áp vào: 380 V - Điện áp ra: 1600 V - Tần số : 500 Hz - Công suất: 1250 kW 52
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 3.4. Tính toán thiết kế mạch chỉnh lưu 25 N CBA 19 20 21 151 C1 153 C3 155 C5 R1 R3 R5 13 14 15 6 5 4 LH1 7 LK1 LH2 8 LK2 62 63 V V600 64 65 LH3 9 LK3 66 67 R7 R8 R9 68 RES2 RES2 RES2 16 17 18 69 C4 C6 C2 70 154 156 152 R4 R6 R2 A1 22 23 24 A 28 29 LD Hình 3.2. Sơ đồ cầu ba pha có điều khiển Để chọn van bán dẫn người ta thường dựa vào hai thông số cơ bản là: - Giá trị dòng lớn nhất của van ( Ivmax) đây là giá trị dòng lớn nhất mà van chịu được (có tính tới làm mát). - Giá trị biên độ điện áp lớn nhất cho phép đặt lên van Ungmax nếu vượt qua giá trị này thì van sẽ bị đánh thủng. 3.4.1.Tính toán chọn van chỉnh lưu Điện áp chỉnh lưu không tải: U d 380 U2 = Uf = = = 220 (V). 3 3 Điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được là: Ungmax = 2,45 U2 = 2,45 . 220 = 539 ( V). Do điều kiện làm việc của van có ảnh hưởng lớn đến việc xác định điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu ta có: vanchon van U ng max ≥ 1,5 U ng max Do đó phải chọn van có điện áp ngược lớn nhất là : 53
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực vanchon U ng max ≥ 1,5 . 539 = 808,5 (V) Trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu: Ud0 = 2,34 Uf = 2,34 . 220 = 514,8 (V), Trị số dòng điện trung bình ra tải là : P 1250.103 Id = = = 2428 (A). U d 0 514,8 Trị số trung bình ra van là: Id 2428 Itbv = = = 809,37 (A). 3 3 Chọn chế độ làm mát cho van bằng nước ta có: Itbv = 0,8 I dmv Dòng định mức van cần chọn là: I tbv 809.37 Idmv = = = 1011,7 ( A ). 0,8 0,8 3.4.2. Chọn van Từ số liệu tính toán ta chọn 6 con Thyristor chỉnh lưu của Trung Quốc có tên là Y55KPE với các thông số là: Bảng 3.1. Thông số Thyristor STT Tiristo chỉnh lưu Y55KPE 1 Dòng hiệu dụng 1500 A 2 Điện áp ngược 1200 V 3 Điện áp tổn hao trên van 1,46V 4 Dòng dò cho phép 25 mA 5 Tốc độ tăng trưởng dòng 200A/ μ s 6 Tốc độ tăng trưởng áp 1000V/ μ s 7 Dòng điều khiển 54 mA 8 Điện áp điều khiển 1,07 V 54
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Hình 3.3. Thyristor chỉnh lưu gồm hai van đấu nối tiếp 3.4.3. Lựa chọn phương pháp bảo vệ van chỉnh lưu Tổn thất công suất lớn nhất trên một van: ΔP = ΔU max . Itbv = 1,46 . 809.37 = 1181,6 (W). Như vậy khi làm việc với dòng điện tải lớn thì công suất phát nhiệt bản thân van rất lớn nếu không có biện pháp làm mát, nhiệt độ tinh thể bán dẫn có thể vượt quá trị số cho phép ( 120 0 ÷ 140 0 ) dẫn đến cháy hỏng van .Tuy rằng kích thước van có tăng theo cỡ dòng điện song không tăng tỉ lệ với dòng này nên không có ý nghĩa gì để thoát nhiệt và làm mát cho van ( ví dụ các van cỡ 320A và 630 A có vỏ khác nhau không đáng kể ). Vấn đề làm mát cho van đặc biệt quan trong nên các nhà chế tạo van công suất lớn bao giờ cũng cho kèm theo từng loại van một loại tản nhiệt chuẩn của nó với những điều kiện làm mát chuẩn của nó. Có rất nhiều phương pháp làm mát cho van như làm mát tự nhiên , làm mát bằng quạt gió , làm mát bằng nước tuần hoàn . Chế độ làm mát tự nhiên thường được áp dụng cho van có cỡ dòng nhỏ dưới 100A và lúc này dòng điện trung bình qua nó chỉ cỡ khoảng 40% dòng cho phép của nó với các van lớn hơn nếu dùng cách này sẽ gây lãng phí . Cách tốt nhất là dùng cánh tản nhiệt chuẩn cho van nhưng thực tế lại khó thực hiện được , do đôi khi phải tự tính toán tản nhiệt này. Do thực tế nên hiện nay người ta thường dùng phép tản nhiệt cho van bằng nước tuần hoàn với lưu lượng nước từ 3 ÷ 10 lít/phút; nhiệt độ nước khoảng 25 0 C . Phương pháp này có hiệu quả cao nên không cần dùng tản nhiệt có cánh. Lúc này 55
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực tác dụng của nó chỉ để gá đỡ van và dẫn dòng điện theo mạch van . Vì vậy tấm này có dạng hình hộp bằng đồng bên trong rỗng có nước làm mát đi xuyên qua . Đường nứớc làm mát cho van tạo thành một hệ thống kín do vậy phải chú ý đến thành phần của nước ( không chứa các loại tạp chất dẫn điện tốt, không gây đóng cặn thành ống dẫn nước làm giảm lưu lượng nước hoặc gây tắc ống . Cần có phần tử bảo vệ khi lưu lượng nước không đảm bảo hoặc nhiệt độ nước lên cao, mặt khác phải chống rò gỉ nước vào mạch điện . Chính vì vậy mà việc bảo dưỡng hay thay thế thiết bị chỉnh lưu loại này khá phiền toái. Tuy vậy đại đa số các bộ chỉnh lưu công suất lớn đều dùng phương pháp làm mát loại này. 3.4.4. Bảo vệ quá dòng cho van chỉnh lưu Có hai kiểu bảo vệ quá dòng là bảo vệ quá dòng ngắn hạn và bảo vệ quá dòng lâu dài, do ta dùng các van là các tiristor nên có thêm bảo vệ tốc độ tăng dòng điện qua van. 3.4.5. Tính toàn lựa chọn máy cắt Do trong sơ đồ dòng điện có dạng xung ta bảo vệ bằng máy cắt. Khi mạch điện có sự cố dòng điện quá tải, ngắn mạch thì dòng điện qua van trong mạch chỉnh lưu tăng nhanh và thường kéo dài cỡ 10ms mặc dù các phần tử bảo vệ đã tác động . Thường trong thông số của van bao giờ cũng có cho giá trị dòng điện mà van có khả năng chịu được trong 10ms giá trị này lớn hơn giá trị dòng trung bình cho phép từ 8 – 10 lần . Vì vậy các van được chọn có trị số dòng điện này nhỏ hơn dòng sự cố qua van, trong thực tế thì hoặc phải thay thế loại van khác phù hợp hoặc phải đưa thêm các phần tử hạn chế sự tăng trưởng dòng sự cố xuống mức cho phép của van đồng thời cũng phải đảm bảo mạch bảo kịp thời tác động . Máy cắt được bố trí ở đầu vào của mạch chỉnh lưu . Một đầu mắc vào mạng điện xoay chiều ba pha điện áp 380 V một đầu mắc vào mạch chỉnh lưu. a) Các yêu cầu đối với máy cắt là: + Chế độ làm việc định mức của máy cắt phải là chế độ làm việc dài hạn , tức là trị số làm việc đinh mức chạy qua máy cắt bao lâu cũng được . Mặt khác mạch vòng dẫn điện của nó phải chịu được dòng điện ngắn mạch lớn khi có ngắn mạch lúc các tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng . + Máy cắt phải cắt được trị số dòng ngắn mạch lớn có thể đến vài chục kA sau khi cắt dòng điện máy cắt phải đảm bảo làm việc tốt ở trị số dòng điện định mức . 56
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực + Để nâng tính ổn định nhiệt và ổn định điện động của các thiết bị điện hạn chế sự phá hoại dòng điện ngắn mạch gây ra máy cắt hạ áp phải có thời gian cắt bé cỡ 10 μ s . Để đơn giản kích thước lắp đặt của thiết bị và an toàn trong vân hành cần phảI hạn chế vùng cháy của hồ quang. Muốn vậy phải kết hợp lực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong máy. Để thực hiện yêu cầu thao tác có chọn lọc, máy cắt hạ áp phải có khả năng điều chỉnh trị số dòng điện tác động và thời gian tác động, thời gian này được tính từ thời điểm xảy ra sự cố đến thời điểm bị ngắt hoàn toàn: t = t0 + t1 + t2 Trong đó : t0 : thời gian tính từ thời điểm xảy ra ngắn mạch đến khi dòng điện đạt tới trị số dòng tác động I = Itd Thời gian to phụ thuộc vào giá trị dòng điện khởi động và đạt tốc độ tăng dòng di/dt phụ thuộc vào thông số của mạch điện ngắt. t1 : Thời gian kể từ khi I = Itd đến khi tiếp điểm của máy cắt bắt đầu chuyển động , thời gian này phụ thuộc vào các phần tử bảo vệ , cơ cấu ngắt của tiếp điểm , trọng lượng phần động. Nừu t1 ≥ 0,01s thì máy cắt có thời gian tác động bình thường . Đối với máy cắt tác động nhanh , thời gian t1 = 0,002 ÷ 0,008 (s). t2 : Thời gian cháy của hồ quang phụ thuộc vào giá trị của dòng điện ngắt và biện pháp dập hồ quang. c) Tính toán lựa chọn máy cắt: Iđm = 1,8 . Itbv = 1,8 . 809,37 = 1456.866 (A) Udm = 380 (V); + Chỉnh định dòng ngắn mạch : Inm = 2,5 . Itbv = 2,5 . 809,37 = 2023,425 (A); Chọn máy cắt là loại có tên là: DW16 – 2000 Iđm = 2000 (A); Uđm = 400 (V); Uvào = 380 (V); G = 75 (Kg); Chiều rộng : 40 (cm); Chiều dài : 59 (cm); Chiều cao: 66 (cm); 57
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Động cơ của máy cắt : Uvào = 380 (V); I = 1,16 (A); ω = 73 ( r/min); f = 50/60 (Hz); Hình 3.4. Máy cắt 3.4.6 Bảo vệ tốc độ tăng dòng di/dt cho Tiristor chỉnh lưu Đặc điểm của tiristor là khi bắt đầu dẫn dòng thì không cho phép dòng qua nó tăng vượt quá giới hạn cho phép nếu không van sẽ bị hỏng . Để bảo vệ phải có điện cảm phía xoay chiều nhằm hạn chế tốc độ tăng dòng này . Khi bộ chỉnh lưu có biến áp lực thì bản thân điện cảm tản của cuộn dây biến áp giữ vai trò của điện cảm bảo vệ , do đó không cần phải quan tâm đến vấn đề nay nữa. Do trong mạch chỉnh lưu ta không có máy biến áp nên ta phải lựa chọn điện cảm L để bảo vệ. Bảng 3.2. Bảng lựa chọn thông số cho Thyristor Giá trị tốc độ tâng Thời gian phục hồi Giá trị tốc độ tâng Số cấp áp du/dt cho tính chất khóa cho áp du/dt cho phép van tk( μ s) phép. (V/ μ s) (A/ μ s) 1 ≥ 20 ≤ 250 ≥ 20 2 ≥ 50 ≤ 150 ≥ 40 3 ≥ 100 ≤ 100 ≥ 70 58
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 4 ≥ 200 ≤ 70 ≥ 100 5 ≥ 500 ≤ 50 ≥ 200 6 ≥ 1000 ≤ 30 ≥ 400 7 ≤ 20 ≥ 600 8 ≤ 15 ≥ 800 9 ≤ 12 ≥ 1000 Điện cảm L là loại điện cảm lõi không khí có hơn chục vòng. Giá trị của điện cảm : U L ≥ v max (di / dt)cp Trong đó : Uvmax là điện áp thuận lớn nhất đặt lên van trong mạch ngay trước khi van dẫn. Ta cũng có thể tính bằng biểu thức kinh nghiệm : U L = ( 0,04 ÷ 0,1 ). 1 ; ω.I.dm Trong đó : U1 : trị số hiệu dụng điện áp lưới điện; ω : Tần số góc của điện áp lưới điện; Idm : dòng điện định mức của chỉnh lưu tiêu thụ từ lưới 220 Vậy : L = 0,02. = 2,3 μH 2.3,14.6.50.809.37 Ta chọn cuộn kháng không khí có L = 2,3 ( μ H); Hình 3.5. Cuộn kháng xoay chiều 59
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 3.4.7. Bảo vệ quá điện áp 3.4.7.1 Các nguyên nhân gây quá điện áp Quá áp gây hỏng van cũng có hai dạng: quá áp về biên độ vượt quá vượt trị số cho phép của van và quá tốc độ tăng áp thuận đặt lên van. Nguyên nhân sinh ra gồm: - Quá áp từ lưới điện đưa tới có thể do sét đánh vào đường dây lưới điện, do đóng cắt các phụ tải chung nguồn với bộ chỉnh lưu. Thực tế cho thấy lưới điện 220 ÷ 380 (V) có thể xuất hiện quá áp gấp 4 – 5 lần điện áp hoạt động của chỉnh lưu. - Quá áp do đóng ngắt các khối chức năng của bản thân bộ chỉnh lưu như: + Đóng biến áp lực chỉnh lưu có thể gây quá áp 30% đến 40% điện áp lưới. + Đóng mạch chỉnh lưu sau khi đóng điện biến áp lực gây ra tốc độ tăng áp du/dt tới 1000V/ μs . + Ngắt biến áp nguồn khi không tảI gây quá áp đến 5 lần điện áp bình thường . + Ngắt tảI khỏi mạch chỉnh lưu sẽ sinh quá áp do ảnh hưởng của các điện cảm có trong mạch điện. - Quá áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các van khi làm việc. Loại này mang tính chất chu kỳ thường xuyên gắn liền với sự hoạt đọng của mạch chỉnh lưu. + Khi van chuyển từ dẫn sang khóa, do hiện tượng di tản điện tích khỏi van rất nhanh , dòng qua van giảm với tốc độ lớn nên gây các đột biến khi trong mạch có điện cảm. + Khi van chuyển từ khóa sang dẫn sẽ có hiện tượng áp trên van đột ngột giảm từ trị số xác định xuống còn xấp xỉ không đột biến áp này sẽ truyền tới van khác dưới dạng xung áp rất nhanh. 3.4.7.2. Lựa chọn mạch bảo vệ RC Để bảo vệ quá áp ta dùng mạch RC ghép song song với van. Khi có chuyển mạch so có phóng điện từ van ra ngoài tạo nên cung áp trên bề mặt tiếp giáp van . Mạch RC mắc song song với van tạo lên mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch. Khi có chuển mạch do có phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung áp trên bề mặt tiếp giáp van. Mạch RC mắc song song van tạo nên mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch. 60
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực - Tính toán mạch bảo vệ: • U dmp ,U imp giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt lên tiristor một cách chu kỳ cho trong sổ tay tra cứu • U dmnp ,U imnp giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt lên điôt hoặc tiristor một cách không chu kỳ, cho trong sổ tay • U im giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt lên Tiristor b- là hệ số dự trữ về điện áp k- là hệ số quá điện áp • Các bước tính toán Xác định hệ số quá điện áp theo công thức U k = imp b *Uim Xác định các thông số trung gian * * * Cmin (k); Rmax (k); Rmin (k) di Tính | khi chuyển mạch dt max di Xác định các đại lượng tích tụQ = f ( ) sử dụng các đường cong cho dt trong sổ tay tra cứu Tính các thông số trung gian 2Q C = C * min U im LU LU R* im ≤ R ≤ R* im min 2Q max 2Q Trên cơ sở tính toán và qua kinh nghiệm ta chọn được các thông số cho mạch C = 0,22(μF) bảo vệ van RC như sau: R = 20(Ω) U= 2000 (V) - Để bảo vệ van khỏi đánh thủng do xung áp từ lưới: Mắc song song với tải ở đầu ra mạch RC. Khi xuất hiện xung áp trên đường dây, nhờ mạch này mà đỉnh xung gần như nằm lại trên điện trở đường dây. Trị số RC phụ thuộc nhiều vào tải. 61
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 3.4.8. Thiết kế cuộn kháng lọc một chiều Đặc điểm của cuộn kháng một chiều - Dòng qua cuộn kháng một chiều có hai thành phần : một chiều và xoay chiều .Thường thành phần một chiều có giá trị lớn hơn nên điểm làm việc của lõi thép bị đẩy lên gần vùng bão hoà .Còn thành phần xoay chiều có giỏ trị nhỏ hơn nhiều do đó cường độ điện trường nhỏ nên tổn thất trong thép không lớn . - Để giữ trị số L ổn định khi dòng tải thay đổi ,cần tránh lõi thép bị bão hoà vì vậy lõi thép cần có khe hở không khí (miếng đệm không nhiễm từ làm bằng gỗ) -Tần số thành phần xoay chiều (bậc cơ bản ) của dòng điện tải thường không phải là 50 Hz mà là bội số của tần số lưới (100 ,150,300) -Loại thép kĩ thuật điện thích hợp cho chế tạo cuộn kháng là loại cán nguội. Kết cấu thường có dạng chữ E hoặc O .Loại E thụng dụng hơn và nó có quan hệ tối ưu về kích thước với nhau như sau . Để giảm độ đập mạch của dòng Id, làm dòng tải trơn và hạn chế sự gián đoạn ta dùng cuộn kháng lọc. b H h c a/2 a a/2 Hình 3.6. Sơ đồ khối 2.6.1.Tính giá trị điện cảm của cuộn kháng lọc: Vỡ hệ số đập mạch chỉnh lưu cầu 3 pha là: Kdmv = 0,057 nên mạch lọc có hệ số san bằng: kdmv 0,057 Ksb = = −3 = 87,7 kdmr 0,65.10 Ta có điện trở tương đương: 62
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực U d 514,8 R d = = = 0,212 ( Ω ) I d 2428 Do Rd không lớn , Ksb không lớn nên bộ lọc được chọn là điện cảm Rd 2 0,212 2 L = . k sb −1 = . 87,7 −1 ≈ 10 (mH) mdm .ω1 6.2π.50 ω 1 =2.π .50 rad/s là tần số góc của nguồn xoay chiều của lưới 2.6.2. Tính toán cuộn kháng: - ta có : Id= 2428 (A) , L = 12,8 mH ,∆ U_=5%.Ud=25,7V , 0 0 ∆ U~= 80 V, Tmt =40 c ,∆ T=50 c Công suất cuộn kháng lọc P = 5%Pd = 0,05.1250 = 62.5(kW) 2.6.3. Tính kích thước lõi thép: - Kích thước cơ sở: 4 2 4 −3 2 a = 2,6. L.I d = 2,6. 10.10 .2428 = 40,5 (cm) Ta chọn: a = 30 (cm) b = 1,5a = 45 (cm) c = 0,8a = 24 (cm) h= 3a = 3.30 = 90 (cm) - Tiết diện lõi thép: 2 Sth = a.b = 30.45 = 1350 (cm ) - Diện tích của sổ : 2 Scs = h.c = 90.24 = 2160 (cm ) - Độ dài trung bình đường sức: lth = 2 (a+b+c) = 2(30 + 45 + 24) = 198 (cm) - Độ dài trung bình dây quấn: ldq= 2(a+b) + πc = 2(30 + 45) + π24 = 225,36 (cm) - Thể tích lõi thép: 3 Vth = 2ab (a+h+c) = 2.30.45(30+45+24)=267300 (cm ) 2.6.4. Tính điện trở của dây quấn ở t0 = 20C đảm bảo độ sụt áp cho phép: ΔU − / I d r20 = −3 1+ 4,26.10 .(Tpx + ΔT − 20) 63
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 25,7 / 2428 0,0105 = = = 8,153.10 −3 ( Ω ) 1+ 4,26.10 −3.(400 + 500 − 200 ) 1,2982 −3 r0 = 8,153.10 2.6.4. Số vòng dây của cuộn cảm: r .s 8,153.10−3.2160 W = 414. 20 cs = 414 = 115,7 (vòng) ldq 225,36 Chọn W = 100 (vòng) 2.6.5 Tính mật độ từ trường: 100.W.I 100.100.2428 H = d = =122626,26 (A/m) lth 198 2.6.6. Tính cường độ từ cảm: chỉnh lưu cầu 3 pha có 6 lần đập mạch trong một chu kỳ điện áp: f dm=50.6=300Hz ΔU.104 80.104 B = = = 0,00445 (T) 4,44.W. f dm .Sth 4,44.100.300.1350 2.6.7 Tính hệ số từ thẩm: Vì B < 0.005T nên: H 122626,26 μ = 717.( ) −0,83.10−6 = 717.( ) −0,83 .10 −6 = 13,27.10 −6 (H/m). 1000 1000 2.6.8. Trị số điện cảm nhận được: 2 −6 2 μ.W .sth 13,27.10 .100 .1350 Ltt = = = 9,05 (mH) 100.lth 100.198 2.6.9 Tiết diện dây quấn: ldq .scs 225,36.2160 2 s = 0,072. = 0,072. −3 = 556,3 (mm ) r20 8,153.10 Thực tế ta chọn loại dây tròn rỗng bên trong để làm mát bằng nước có r =1,5 cm) R r Hình 3.7. Hình dạng ống làm cuộn kháng 64
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 2.6.11. Xác định khe hở tối ưu: -3 -3 lkk = 1.6.10 . W .I = 1,6.10 .100.2428 = 388(mm) Vẽ trên đường đi mạch từ có hai đoạn khe hở nên miếng đệm cơ đo chiều dầy bằng 0,5lkk. Ldêm = 0,5.lkk = 194(mm) 2.6.12 Kích thước cuộn dây: Chọn lõi cuọn dây có độ dày 2 mm - Số vòng dây trong 1 lớp : W’ = 10 (Vòng). Vậy 1 lớp quấn 10 vòng. - Tính số lớp dây: ¦W 100 n = = = 10 (lớp) ¦W ' 10 Vậy cần quấn 10 lớp. Nếu lấy khoảng cách giữa hai lớp dây quấn (giành cho lớp cách điện ) Δcd là 3mm thì độ dầy của cả cuộn gồm 10 vòng là: Δcd = 2.( 3 + 0,3 ) = 6,6 (cm) Theo tính toán thì chiều cao của cuộn kháng lọc một chiều quá cao gây khó khăn cho việc thiết kế tủ điều khiển nên thực tê ta phải cắt cuộn kháng ra làm hai phần và mắc nối tiếp với nhau.Ta có hình ảnh cuộn kháng lọc một chiều thực tế : Hình 3.8. Cuộn kháng lọc một chiều 65
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 3.5. Tính toán thiết kế phần mạch nghịch lưu KW 30 30 R12 R13 221 219 C8 C9 31 33 LF B2 V2 41 L7 L9 Hz 32 V2 42 54 CF1 34 55 L8 L10 CF2 37 35 R14 R15 222 220 C10 C11 36 36 34 Hình 3.9. Sơ đồ mạch nghịch lưu 3.5.1. Phân tích sơ đồ Unl i Lt C1 i1 R i2 C2 Hình 3.10. Sơ đồ mạch tương đương - Đặt: C1 = C2 = C XL = Lω 66
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 1 Xc = = XC1 = XC2 ωC - Tổng trở của toàn mạch là: − (R + jX − jX ). jX Z = L C C R + jX L − 2 jX C − jX C .(R + jX L − jXc).(R − j(X L − 2X C )) Z = 2 2 R + (X L − 2X C ) 2 − jX C .(R − Rj(X L − 2X C ) + Rj(X L − X C ) + (X L − X C )(X L − 2X C ) Z = 2 R + (X L − 2X C ) 2 − RX C (X L − 2X C ) + RX C (X L − X C ) − jX C .R − jX C (X L − X C )(X L − 2X C ) Z = 2 2 R + (X L − 2X C ) 2 Mạch cộng hưởng khi: XCR - XC(XL-XC)(XL-2XC) = 0 (1) Do R rất bé nên R 2 càng bé có thể bỏ qua Từ (1) ta có: XC.(XL-XC).(XL-2XC) = 0 ⎡X C = 0 ⇒ ⎢X = X ⎢ L C ⎢ ⎣X L = 2X C Trường hợp XC = 0 là vô lý không xảy ra. Trường hợp XL=2XC và XL=XC Từ thực tế chế tạo và sản xuất lò ta chọn trường hợp XL=2XC . Như vậy để mạch cộng hưởng ta chọn trường hợp XL= 2XC * Điện áp ra nghịch lưu có dạng “ hình sin chữ nhật” đối xứng. Unl = Ud khi 0 ≤ t ≤ T / 2 Unl = - Ud khi T/2 ≤ t ≤ T Trong đó f là tần số cộng hưởng cũng là tần số của bộ nghịch lưu. 3.5.2. Tính toán giá trị điện cảm của lò Từ trên ta có: π.I d π.2428 Dòng hiệu dụng: It = = = 5391,7 (A). 2 2 Điện trở tải: 3 Pt 1250.10 Rt = 2 = 2 = 0,043 ( Ω ). I t 5391,7 67
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Điện kháng của cuộn cảm: 2 U t 2 2 ⎛ 1600 ⎞ 2 XL = ( ) − Rt = ⎜ ⎟ − 0,043 = 0,294( Ω ), I t ⎝ 5391,7 ⎠ Điện cảm của cuộn cảm ứng: X t 0,294 Lt = = = 0,0936 (mH). ω 2.π.500 3.5.3. Tính toán giá trị điện dung của giàn tụ để mạch cộng hưởng Tính chọn tụ xoay chiều Ta có: XL= 0,294 ( Ω ) Như đã phân tích ở trên dòng điện đạt giá trị cực đại khi: XL = 2XC = 0,294 ( Ω ) Gia trị điện dung là: 1 1 C = 2 = 2 −3 = 1683,5 ( μF ) ω .Lt (2.π.500) .0,0936.10 Từ giá trị điện dung đã tính toán đựợc ta lựa chọn giàn tụ do Trung Quốc chế tạo và sản xuất có tên là RFMO750 – 2000 – 1S với các thông số kỹ thuật sau: Bảng 3.3. Thông số Tụ điện STT RFMO.75-2000-1S Giá trị 1 Điện áp đặt vào tụ 750 V 2 Công suất phản kháng 2000 kVAR 3 Tần số tụ 1kHz 4 Dòng qua tụ 2667A 5 Điện dung tụ 566 μ F 6 Kích thước tụ 440*207*530 mm 7 Khối lượng tụ 56 Kg 68
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Như vây giàn tụ gồm hai phân một phần mắc song song với lò và một phân mắc nối tiếp với lò. Mỗi phần gồm bốn quả tụ mắc song song có giá trị điện dung là C1 = C2 = 4.566 = 2264 ( μ F) Hình ảnh thiết kế giàn tụ thực tế như sau: Hình 3.11. Giàn tụ 3.5.4. Tính toán chọn van nghịch lưu - Điện áp ngược đặt lên van: Ungmax = Uthmax.sin β Ta có: Uthmax = 2 . Utnax = 2 .800 = 1131,37 ( V), U 514,8 cos β = d1c = = 0,32175 U ra 1600 ⇒ β = 1,24 (rad) ⇒ sin β = 1− cos 2 β = 1− 0,321752 =0,94 Vây điện áp ngược đặt lên van là: Ungmax = Uthmax.sin β Ungmax = 1131,37 . 0,94 = 1063,5 (V), Do điều kiện làm việc của van có ảnh hưởng lớn đến việc xác định điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu ta có: vanchon van U ng max ≥ 1,5 U ng max Do đó phải chọn van có điện áp ngược lớn nhất là : vanchon U ng max ≥ 1,5 . 1063,5 = 1595,2 (V), - Tính dòng điện qua van 69
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện trung bình chạy qua van theo sơ đồ đã chọn (Ilv = Itbv) Ta có công thức: Itbv = ktb.Id Trong đó: Itbv, Id : Dòng điện trung bình van và dòng điện tảI; ktb: Hệ số xá đinh dòng điện trung bình ( tra bảng 8.2 TL1); ktb = 1/2 = 0.5 Vậy dòng điện trung bình van là : Itbv = 0,5 Id Id 2428 Itbv = = = 1214 ( A ). 0,5 0,5 - Tính thời gian tq Thời gian phục hồi tính chất khóa được tính theo công thức: β = ω.tq β 1,24 t = = = 65,8 ( μ s) q ω 2.3,14.6.500 3.5.5. Lụa chọn van nghịch lưu Từ số liệu tính toán ta chọn ra 4 con Thiristor nghịch lưu do Trung Quốc sản xuất có tên là Y55KPE với các thông số kỹ thuật sau : Bảng 3.4. Thông số Thyristor STT Tiristo nghịch lưu Y70KKE 1 Dòng hiệu dụng 2000A 2 Điện áp ngược 2500V 3 Điện áp tổn hao trên van 2,66 V 4 Dòng dò cho phép 65 mA 5 Tốc độ tăng trưởng dòng 600A/ μ s 6 Tốc độ tăng trưởng áp 1000V/ μ s 70
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực 7 Dòng điều khiển 107 mA 8 Điện áp điều khiển 1,32V 9 Thời gian khóa phục hồi 35 μ s Hình 3.12. Thyristor nghịch lưu 3.5.6. Lựa chọn phương án bảo vệ van nghịch lưu Tổn thất công suất lớn nhất trên một van: ΔP = ΔU max . Itbv = 2,7 . 1214 = 3277,8 (W). Cũng như phần chỉnh lưu các van trong mạch nghịch lưu cũng được làm mát bằng nước. 3.5.7. Bảo vệ tốc độ tăng dòng di/dt cho Tiristor nghich lưu Đặc điểm của tiristor là khi bắt đầu dẫn dòng thì không cho phép dòng qua nó tăng vượt quá giới hạn cho phép nếu không van sẽ bị hỏng . Để bảo vệ phải có điện cảm phía xoay chiều nhằm hạn chế tốc độ tăng dòng này . Khi bộ chỉnh lưu có biến áp lực thì bản thân điện cảm tản của cuộn dây biến áp giữ vai trò của điện cảm bảo vệ , do đó không cần phải quan tâm đến vấn đề nay nữa. Do trong mạch chỉnh lưu ta không có máy biến áp nên ta phải lựa chọn điện cảm L để bảo vệ. Điện cảm L là loại điện cảm lõi không khí có hơn chục vòng. Giá trị của điện cảm : U L ≥ v max (di / dt)cp 71
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Trong đó : Uvmax là điện áp thuận lớn nhất đặt lên van trong mạch ngay trước khi van dẫn. U v max 1095,8 −6 L ≥ = 6 =1,826.10 (H) (di / dt)cp 600.10 Ta chọn cuộn kháng không khí có L = 2 . 10 −6 (H); 3.5.8 Bảo vệ quá điện áp cho van nghịch lưu Trên cơ sở tính toán và qua kinh nghiệm ta chọn được các thông số cho mạch bảo vệ van RC như sau: C = 0,1 ( μF ) R = 24 ( Ω ) U = 4000 (V) 72
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT BẢNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN LÒ TRUNG TẦN NẤU THÉP 4.1. Các đặc tính cơ bản của phần tử bán dẫn công suất Các phần tử bán dẫn công suất sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như các khóa điện tử , gọi là các van bán dẫn , khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn , khi khóa thì ngắt tải ra khỏi nguồn , không cho dòng điện chạy qua .Khác với các phần tử có tiếp điểm , khi các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện không gây nên tia lửa điện , không bị mài mòn theo thời gian .Tuy có thể đóng cắt các dòng điện lớn nhưng các van bán dẫn lại được điều khiển các tín hiệu điều khiển công suất nhỏ tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi .Hiệu suất của các bộ biến đổi phụ thuộc trước hết vào tổn thất trên các van bán dẫn , trong quá trình làm việc tổn thất này bằng tích của dòng điện chạy qua van với điện áp rơi trên van. Công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn ngày nay đã đạt được những bước tiến bộ vượt bậc , với việc cho ra đời những phần tử kích thước ngày càng nhỏ gọn , khả năng cắt dòng điện và chịu điện áp ngày càng cao và tổn thất công suất giảm đáng kể ngày càng đáp ứng được những yêu cầu phức tạp của các quy luật biến đổi năng lương trong các bộ biến đổi. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn là điều vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể .Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các phần tử bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng đóng cắt dòng điện khă năng chịu điện áp và các đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt cũng như vấn đề điều khiển chúng. 4.2. Thyristor công suất 4.2.1. Cấu tạo. 73
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Tiristor là phần tử bán dẫn cấu tạo gồm 4 lớp p-n-p-n, tạo ra 3 tiếp giáp p-n: J1, J2, J3. Tiristor có 3 cực: anot A, catot K và cực điều khiển G. Có sơ đồ cấu tạo như hình vẽ. A n p n J3 Q1 J3 V n+ Q2 G p J3 K a) CÊu tróc b¸n dÉn b) KÝ hiÖu Hình 4.1. Thyristor 4.2.2. Tín hiệu điều khiển thyristor Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và catôt với dòng điện đi vào cực điều khiển xác định các yêu cầu đối với thyristor.Với cùng một loại thyristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển,ví dụ trên hình 4.1.2 Hình 4.2. Yêu cầu đối với xung điều khiển Thyristor 74
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Trên đó có thể thấy được các đặc tính giới hạn về điện áp và dòng điện nhỏ nhất ứng với một nhiệt độ môi trường nhất định mà tín hiệu điều kiển phải đảm bảo để chắc chắn mở được một thyristor.Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều khiển cũng phải bị hạn chế về công suất.Công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc độ rộng của xung điều khiển.Tính hiệu điều khiển là một xung có độ rộng càng ngắn thì công suất cho phép có thể càng lớn. 4.2.3. Nguyên tắc điều khiển Có hai nguyên tắc điều khiển : 4.2.3.1. Nguyên tắc điều khiển ngang: Hình dưới là sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa . Hình 4.3. Nguyên tắc điều khiển ngang 75
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Khâu đồng bộ ( DB) tao ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực. Khâu dịch pha (DP) có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp ra theo tác động của điện áp điều khiển Uđk .Xung điều khiển được tạo thành ở khâu tạo xung vào thời điểm khi điện áp dịch pha UDF qua điểm 0 . Xung này nhờ khâu khuyếch đại xung (KDX) được tăng đủ công suất được gửi tới các cực điều khiển của van . Như vậy góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở van thay đổi được nhờ sự tác động của Uđk làm điện áp di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian. 4.2.3.2. Nguyên tắc điều khiển dọc : Hình dưới là sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa Hình 4.4. Nguyên tắc điều khiển dọc 76
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực Ở đây khâu UT tạo ra điện áp tựa có dạng cố định ( thường có dạng răng cưa , đôi khi hình sin ) theo chu kỳ nhịp đồng bộ của UĐB . Khâu so sánh SS xác định thời điểm cân bằng của 2 điện áp UT và UĐK để phát động khâu tạo xung TX . Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của UĐK trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ .Đa số mạch điều khiển thực tế đều sử dụng nguyên tắc này. Ở đây trong đồ án ta cũng dùng phương pháp điều khiển dọc. 4.2.4 Chức năng của mạch điều khiển. - Đảm bảo phát xung với đầy đủ các yêu cầu để mở van: + Đủ độ rộng. + Đủ biên độ. + Sườn xung ngắn tS = 0,5 ÷ 1 μs - Đảm bảo tính đối xứng đối với các kênh điều khiển , không vượt quá 1o – 3o điện , tức là góc điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên . - Đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển . Ví dụ đối với MBAX thường được sử dụng như một khâu truyền xung cuối cùng ở tầng khuyếch đai xung - Phát xung điều khiển ( xung để mở van ) đến các van lực theo đúng pha và với góc điều khiển α cần thiết . - Đảm bảo đúng quy luật về pha điều khiển túc là phạm vi điều chỉnh góc điều khiển α min −α max tương ứng với phạm vi điều chỉnh thay đổi điện áp ra tải của mạch lực . - Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động , chế độ nghịch lưu , các chế độ dòng điện liên tục hay gián đoạn , chế độ hãm hay đảo chiều điện áp v vv - Có thể hạn chế phạm vi góc điều khiển α không phụ thuộc vào sự thay đổi điện áp lưới. - Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số . 77
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực - Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt không gây nhiễu đối với các hệ thống điều điện tử khác ở xung quanh. - Độ tác động của mạch điều khiển nhanh dưới 1 ms. - Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển nếu cần như là ngắt xung điều khiển khi sự cố , thông báo các hiện tượng không bình thường của lưới và bản thân bộ chỉnh lưu , bảo vệ quá áp quá dòng , mất pha v vvv 4.3. Khảo sát bảng điều khiển lò trung tần nấu thép KGPS dùng vi mạch điều khiển kĩ thuật số. 4.3.1. Khái quát : Bảng khống chế nguồn điện trung tần công suất không đổi HLSB-II là một thiết bị kiểu mới do công ty Hữu hạn kỹ thuật trung tần Khánh Phát Thẩm Dương nghiên cứu chế tạo. Cấu tạo chủ yếu gồm nguồn điện ,chiết áp điều chỉnh , khống chế dịch pha , mạch bảo vệ , mạch khởi động ,bộ biến đổi tần số , bộ đổi chiều xung , bộ khuếch đại xung v.v .trong đó các bộ phận quan trọng sử dụng kiểu mạch điện tập trung QF2010-01RP do Mỹ sản xuất có tính năng cao , độ tinh tế cao ,chuyên dụng quy mô lớn ,ngoài các chiết áp điều chỉnh ra , các mạch bên trong đều thực hiện số hóa .Bộ chỉnh lưu không cần bất cứ sự điều chỉnh nào mà còn có các đặc điểm như độ tin cậy cao , tính đối xứng cao ,chống nhiễu khỏe , tốc độ phản ứng nhanh ,chỉ cần đấu dây của bộ biến áp xung chỉnh lưu 6 đường vào các điểm tương ứng của bảng khống chế là bộ chỉnh lưu sẽ vận hành bình thường . Sự đổi chiều áp dụng phương thức khởi động mềm quét tấn số điện áp không tính năng khởi động ưu điểm hơn cách khởi động mềm điện áp không thông thường .Có lắp đặt mạch khởi động tự động có thể tránh được sự thất bại trong khi khởi động nguồn điện trung tần làm cho khởi động thành công đạt 100% .Mạch tần số áp dụng phương án trị số bình quân , nâng cao khả năng chống nhiễu đổi chiều ,vả lại chỉ cần áp dụng phương án trị số bình quân , nâng cao khả năng chống nhiễu đổi chiều ,vả lại chỉ cần tín hiệu điện áp trung tần mà không cần tín hiệu dòng của mạch tụ điện song song , khỏi phải dùng bộ hỗ cảm dòng trung tần đấu bên ngoài tránh được sự rắc rối trong việc xác định pha dòng điện . Do đó tại môi trường điều chỉnh và sử dụng cũng không thể xảy ra vấn đề không thể khởi động nguồn trung tần do đấu ngược dây ra trung tần hoặc đấu ngược pha bộ hỗ cảm dòng . Trong mạch đổi chiều có mạch điều chỉnh góc đổi chiều ,có thể tự động điều chỉnh phối hợp trở kháng tải ,đạt công suất ra không đổi , có thể chế tạo thành bộ nguồn 78
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực trung tần “luyện tốc độ nhanh ” đạt tới mục đích tiết kiệm thời gian , tiết kiệm điện nâng cao hiệu suất, công suất mạng . Các mạch chủ yếu của bộ phận đảo chiều đều bố trí ở bên trong của mạch tập trung quy mô lớn QF2010-01RP Bảng khống chế HLSB-II gồm có 7 mạch tập trung , 6 đèn tinh thể , 6 chiết áp vi điều chỉnh , 33 đầu ra , việc lắp ráp rất thuận tiện .Thích dụng với nguồn điện trung tần mạch cộng hưởng song song dùng thyristor . Bảng khống chế HLSB-II khi thiết kế đã trưng cầu ý kiến nhiều mặt ,áp dụng kĩ thuật hiện đại ,việc điều chỉnh cực kì thuận tiện , đại đa số tham số đều được xác định tự động bên trong mạch điện , chỉ cần người sử dụng xác định các tham số qua sự điều chỉnh điện áp , do đó tính thông dụng và tính trao đổi rất rõ . 4.3.2. Tên gọi sản phẩm : Tên gọi : bảng điều khiển lò trung tần công suất không đổi Hình 4.5. Bảng điều khiển lò trung tần Công suất không đổi 4.3.3. Lắp đặt lò trung tần nấu thép : Thích dụng với nguồn điện trung tần cộng hưởng song song dùng các loại Thiristor 300Hz-10kHz 4.3.4. Điều kiện sử dụng bình thường : - Độ cao không quá 2000m so với mặt nước biển - Nhiệt độ môi trường không thấp dưới -10 0 C không cao hơn - 40 0 C - Độ ẩm không khí tương đối không quá 90% (20 0 C ± 50 C ) - Địa điểm vận hành không có bụi dẫn điện và gây nổ , không có khí ăn mòn kim loại và phá hoại sự cách điện 79
Chương 3: Thiết kế tính toán mạch lực - Không có sự chấn động và va chạm mạnh. 4.3.5. Các thông số kĩ thuật chủ yếu của lò Các tham số kỹ thuật chủ yếu: - Điện áp định mức dây vào mạch chủ: 100V~950V(50Hz) - Nguồn điện khống chế : một pha 18V/2A - Tín hiệu phản hồi điện áp trung tần: AC 12V/15 mA - Tín hiệu phản hồi dòng điện: AC12V/5mA ba pha vào - Phạm vi dịch pha xung khởi động chỉnh lưu: a = 0~1300 - Độ đối xứng xung khởi động chỉnh lưu:nhỏ hơn 10 - Độ rộng tín hiệu xung khởi động chỉnh lưu ≥ 600μS cách nhau 600 - Đặc tính xung khởi động chỉnh lưu: Điện áp đỉnh xung khởi động ≥ 12V Dòng đỉnh xung khởi động ≥ 1A Độ dốc sườn trước xung khởi động ≥ 5A/μS - Tần số đổi chiều 300Hz-10KHz - Đặc tính xung khởi động nghịch lưu: Điện áp đỉnh xung khởi động ≥22V Dòng đỉnh xung khởi động ≥3A Độ dốc sườn trước xung khởi động ≥2A/μS - Kích thước ngoại hình lớn nhất : 255x175mm 4.3.6. Nguyên lý mạch điện của bảng điều khiển Bảng điều khiển ngoài các bộ điều khiển chỉnh lưu và bộ điều khiển nghịch lưu ra, phần còn lại được cấu trúc thành một bảng mạch in,bao gồm nguồn điện,bộ khởi động chỉnh lưu,các chiết áp điều chỉnh,bộ khởi động nghịc lưu v.v ngoài các chiết áp ra các phần khác đều là mạch số. Mạch trung tâm của bảng điều khiển là IC6 có mã hiệu QF2010-01RP, đây là một mạch điện số quy mô lớn chuyên dụng, có 3 đường vào bán thời gian, 31 đường vào ra, bao gồm bộ khởi động chỉnh lưu, thứ tự pha thích ứng, bộ khởi động đảo chiều, bộ khoá góc dẫn trước đảo chiều,bảo vệ quá dòng, bảo vệ qúa áp, bảo vệ thiếu pha, bảo vệ khi áp lực nước thấp, bảo vệ khi bảng điều khiển thiếu điện áp,ngoài ra còn có bộ định giờ 0,2 giây. IC6 do hãng Lattice semiconductor Corporation sản xuất. 80