Chơng 1.Giới thiệu chung về lò nấu thép 1.1.Tìm hiểu về lò nấu thép - Ngnh luyn kim ra i t rt lõu, sn phm ca nú ỏp ng c nhu cu trong moi lnh vc. Trong thi gian u, cỏc phong phỏp luyn thộp c in nh: lũ cao, lũ Mactanh- õy l nhng loi lũ dựng nhiờn liu t nh ci than Ngy nay, vi s s dng rng rói ca in nng thỡ phng phỏ nu luyn thộp bng in chim u th: Nu luyn thộp bng lũ in l phng phỏp nhanh nht, mang li hiu qu kinh t cao vỡ phng phỏp ny bin i in nng thnh nhit nng iu chnh nhit d dng, kh nng t ng hoỏ cao v cú kh nng luyn, nu c nhiu loi thộp khỏc nhau, dựng cho mc ớch khỏc nhau. It gõy ụ nhim mụi trng. - Cú cỏc loi lũ ph bin sau: lũ h quang, lũ in tr, lũ cm ng. - Trong cỏc loi lũ in trờn thỡ lũ cm ng cú cỏc u im ni tri hn c: Nu chy c kim loi sch nht, vn hnh n gin v cú th nu chy trong chõn khụng hay trong mụi trng c bit. So vi lũ in tr v lũ h quang thỡ hiu qu nhit ca lũ in cm ng l 80% so vi 60%-75% ca 2 lũ kia v hiu suõt nhit lờn ti 96%. Tuy nhiờn lũ cm ng cú h s cụng sut gim khi in tr ca vt liu gim v tng nh s ny thng ngi ta mc cỏc t in song song vi lũ. Nhit ca x thp cho nờn khú cú th tinh luyn thộp. Mt im chỳ ý trong lũ in cm ng l tn s lũ cng cao khi khi lng phi liu nu trong nũi m thp. 500 000Hz i vi lũ nh, nu thớ nghim 10g - 100g. 8000Hz - 4000Hz i vi lũ thớ nghim nu vi kg. 2000Hz i vi lũ cụng nghip nh, mt m 50 kg - 500kg. 1000Hz i vi lũ mt m 250kg-2000kg. 50Hz (tn s cụng nghip) vi cỏc lũ nu ln trong cụng nghip Nói riêng về lò cảm ứng * Lò cảm ứng Theo ứng dụng có thể chia làm 2 loại là: lò có lõi sắt và không có lõi sắt. - Loại lò có lõi sắt ở giữa: xuất hiện sức điện động hỗ cảm vào nguyên liệu rắn: E2 = 4,44.f.W2 10 -8 (V) f - tần số (Hz), chu kỳ (s) W2 - số vòng cuộn dây thứ cấp - từ thông sinh ra ở lõi sắt (Wb) 1 Nhờ dòng xoay chiều gây ra cho từ trờng nam châm của lõi sắt mà kim loại rắn đợc nung nóng dần, cuối cùng chảy vào rãnh và có thể lấy ra ngoài. Loại này ít thông dụng vì năng suất không cao, xỉ luôn luôn bị nguội. - Loại không có lõi sắt rất thông dụng hiện nay: Đặc điểm của loại lò này là từ trờng từ cuộn dây cảm ứng đợc dẫn thẳng vào kim loại. Tại đây sinh ra dòng điện hỗ cảm có cờng độ không đều trên dây đồng. Mật độ dòng điện tập trung ở mặt ngoài dây, ở giữa giảm dần. Ưu điểm của lò cảm ứng không có lõi thép là: - Có thể luyện đợc hợp kim có độ sạch cao - Luyện đợc hợp kim đồng nhất, thành phần hoá học trong bể lò đồng đều do sự xáo trộn gây ra bởi lực điện động. - Kim loại luyện có nhiệt độ cao và đạt đợc nhiệt độ cực đại trong toàn bộ khối kim loại. - Kim loại cháy ít do nung kim loại từ trong ra ngoài. - Hiệu suất, năng suất lò cao. - Điều chỉnh công suất và nhiệt độ đơn giản, dễ dàng, phạm vi rộng. Lò cảm ứng đợc ứng dụng để luyện thép chất lợng cao và các hợp kim đặc biệt khác có yêu cầu độ sạch cao, đồng đều và chính xác về thành phần hoá học. Cấu tạo của lò Gồm hai bộ phận chính là vòng cảm ứng và nồi lò. - Vòng cảm ứng làm bằng đồng hoặc ống sắt dẹt. Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ữ30% 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 ữ 5A/mm 2 . Làm mát bằng nớc trong vòng cảm ứng rỗng cho phép dòng điện tới 50 ữ 70A/mm 2 . - Nồi lò làm bằng vật liệu chịu lửa. 1.2.Tìm hiểu về tải 1.2.1.Đặc tính tải trong quá trình nấu thép Tải lò nấu thép là tải có tính cảm kháng.Đầu tiên ta dễ nhận thấy tải phụ thuộc nhiệt độ theo công thức R t = R 0 *(1 + *t) ; Tải lò nấu thép là tải có tính biến động, thông qua đồ thị dới 2 à T 780 0 900 0 à: là độ từ thẩm của thép : là suất điện trở của thép(cm) Nhận thấy khi nhiệt độ khoảng 800-900 0 c thì tải mất tính cảm kháng ,chỉ còn tính thuần trở (do giảm mạnh ,còn tăng mạnh) Tải lò nấu thép là tải ngắn mạch , nên nguồn cấp cho tải phải làm việc ở chế độ ngắn mạch, do đó ta chọn nguồn cấp cho tải là nghịch lu nguồn dòng 1.2.2.Quan hệ f,p,U Nhiệt đôt nóng kim lọai đợc tính theo công thức W=I 1 2 . n 2 . 2 2 . h d . 9 10 f à (W) Trong đó: I 1 : dòng điện trong cuộn cảm ứng (A) n : số vòng dây cuộn cảm ứng d : đờng kính trong lò h : chiều cao mẻ liệu (cm) I 1 .n : số ampe vòng Từ công thức trên ta thấy: Năng lợng biến thành điện năng ở trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bình phơng ampe vòng, tức tỉ lệ với cờng độ từ trờng và căn bình phơng điện trở riêng và tần số. W nhit H 2 I 2 W nhit f Nh vậy để tăng lợng nhiệt cung cấp cho vật liệu có thể tăng cờng độ dòng điện hoặc tần số. Nhng trong thực tế không thể tăng dòng điện lên mãi vì dây phải rất lớn và quá nóng, có thể nóng chảy (dù có nớc làm mát). Thờng dùng phơng pháp tăng tần số, do vậy lò cảm ứng còn gọi là lò cao tần. * Mặt khác tần số còn ảnh hởng đến kích thớc của cục nguyên liệu. Năng l- ợng truyền từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng, biến đổi thành năng lợng trờng điện từ. Trong vật gia nhiệt điện năng dòng xoáy cảm ứng đợc chuyển thành nhiệt năng. Khi truyền sâu trong kim loại, độ lớn của các vectơ E, H (hai thành phần của trờng điện từ) bị giảm dần và năng lợng trờng điện từ cũng giảm dần (theo độ sâu truyền z). Độ sâu thẩm thấu: 3 )( . 503 2 m f a à à == Trong đó: : tần số (rad) a à = àà .0 : hệ số từ thẩm tuyệt đối của kim loại. à : hệ số từ thẩm tơng đối của kim loại 0 à = 4. à .10 -7 H/m : hệ số từ thẩm chân không 1 = : điện dẫn của kim loại Tính toán và thực tế cho thấy khi z = thì 0,864 phần năng lợng điện từ có ở bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày , còn 0.316 phần năng lợng tiếp tục truyền sâu vào lớp kim loại bên trong. Tần số càng lớn thì càng nhỏ và năng lợng điện từ càng tập trung đốt nóng ở lớp mặt ngoài của kim loại. Do đó để giảm năng lợng điện mất mát trên một tấm kim loại và quá trình nấu chảy nguyên vật liệu cần thiết phải tính toán một cách hợp lý và tỉ mỉ những kích thớc cục nguyên liệu và chất khít chặt với tần số tơng ứng. Để có hiệu suất nấu chảy kim loại cao, khi tần số càng lớn thì kích thớc cục nguyên liệu càng phải nhỏ, còn đối với tần số thấp hơn kích thớc cục nguyên liệu có thể to hơn. Ví dụ: Tần số (Hz) Kích thớc cục nguyên liệu (mm) 500 20 1000 10 10000 5 Nếu khi tấn số rất lớn hơn nữa thì kích thớc cục nguyên liệu nhỏ hơn 5mm. * Tấn số cũng có quan hệ chặt chẽ với bản chất cuă vật liệu và công suất của lò. Công thức gần đúng để tính tần số dòng điện là: f min 2 8 .10.25 d Công thức trên cho thấy rằng khi công suất lò lớn, nghĩa là khi bán kính liệu hoặcdung tích của lò lớn cũng nh khi điện trở của liệu nhỏ, tần số của dòng điện cung cấp có thể lấy thấp hơn. Đối với những kim loại nh sắt, niken, crôm cũng nh hợp kim của chúng ng- ời ta thờng dùng tàn số trong giới hạn 1000 ữ 3000 Hz. Đối với bạc, đồng, đồng thanh, đồng đỏ, hợp kim bạc niken, đồng niken tần số có thể dùng từ 50 ữ 500 Hz. Để đảm bảo cả yêu cầu kinh tế và kỹ thuật, việc lựa chọn tần số phụ thuộc rất nhiều vào công suất của lò. Quan hệ giũă tần số và công suất của lò đợc thể hiện qua những số liệu sau: 4 Công suất lò (kW) Tần số (Hz) <150 2000 ữ 3000 250 ữ 500 1000 750 ữ 1000 500 >1200 150 Hiện nay việc lựa chọn tần số dòng điện cung cấp cho lò không có lõi sắt để luyện thép vẫn đợc lựa chọn nh trên. Chơng 2.Phơng án thiết kế Sơ đồ khối của bộ biến tần cấp cho là nấu thép Trong đó: U 21 : điện áp vào bộ chỉnh lu. U d1 =K cl *U 21 *cos : điện áp ra bộ chỉnh lu (điện áp vào bộ lọc) U d2 = K nl *U 22 cos : điện áp vào bộ nghịch lu (sau bộ lọc) U 2 : điện áp ra bộ nghịch lu (điện áp tải) Phơng trình cân bằng điện áp U d1 = U d2 K cl *U 21 *cos = K nl *U 22 *cos t Với là góc mở chỉnh lu, còn t là góc tải Từ lí luận trên , ta thấy yêu cầu với mạch chỉnh lu Mạch chỉnh lu có chức năng cấp nguồn cho mạch nghịch lu dòng 1 chiều cho mạch nghịch lu, tức là giữ cho I d = const Mạch chỉnh lu điều chỉnh công suất trong quá trình nấu chảy vật liệu,vì khi góc tải t thay đổi thì cũng phải thay đổi cho phù hợp. 2.1.Phân tích đề xuất phơng án. 5 Chọn nghịch lu nguồn dòng cộng hởng vì Tạo tần số cao f = 1 30 kHz Phụ tải có tính cảm kháng , nên ta mắc song song vào tải tụ , để tạo mạch vòng dao động hình Sin của I hoặc U.Nhờ đó có thể sử dụng Thyristor thờng và xung điều khiển là các xung đơn,van chuyên mạch tự nhiên Từ công thức K cl *U 21 *cos = K nl *U 22 *cos t ,mặt khác , quá trình nấu thép thì tải luôn thay đổi , hay t luôn biến động .Để đảm bảo cho quá trình năng l- ợng đợc tốt , ngời ta chọn nghịch lu độc lập nguồn dòng lam việc ở chế độ cộng hởng , tức là luôn giữ cho cos t = const , khi đó công suất nguồn qua bộ biến tần là max, tổn hao min Dòng hình sin nên giúp giảm kích thớc bộ lọc 2.2.Lựa chọn phơng án chỉnh lu Từ yêu cầu ta suy ra mạch chỉnh lu phải là chỉnh lu có điều khiển. Công suất của lò nấu là P = 140 kW, nguồn điện sử dụng là nguồn điện 3 pha nên chúng ta dùng chỉnh lu điều khiển 3 pha (nếu dùng chỉnh lu điều khiển 1 pha công suất tải lớn sẽ làm xấu lới điện) Ta có các phơng án: Chỉnh lu hình tia 3 pha Chỉnh lu cầu 3 pha Chỉnh lu hình tia 6 pha Nhng chúng ta thấy rằng: Chỉnh lu hình tia 3 pha có nhợc điểm: chất lợng điện áp thấp, hệ số đập mạch nhỏ nếu công suất tải lớn sẽ ảnh hởng xấu đến hệ số cos của lới điện, làm méo lới điện và buộc phải dùng đến biến áp lực. Chỉnh lu hình tia 6 pha tuy chất lợng điện áp tốt nhng việc chế tạo máy biến áp lực 6 pha tốn kém, phức tạp, giá thành cao nên phơng án này cũng không khả thi. Nh vậy chúng ta sẽ thiết kế phần chỉnh lu cho bộ nguồn lò nấu thép dùng sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha có điều khiển, bao gồm: Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển đối xứng Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng Sau đây em xin phân tích cụ thể từng phơng án và đi đến lựa chọn phơng án cuối cùng để thiết kế chi tiết. 2.2.1. Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng Sơ đồ nguyên lý: 6 • D¹ng ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn: 7 Phân tích sơ đồ: Sơ đồ cầu 3 pha không đối xứng gồm 3 tiristor và 3 diode chia làm 2 nhóm: - Nhóm catot chung : T1, T3, T5 - Nhóm anod chung : D2, D4, D6 Điện áp các pha: U a = 2 U 2 sin U b = 2 U 2 sin( - 3 2 ) U c = 2 U 2 sin( - 3 4 ) Khi làm việc các diode chuyển mạch tự nhiên còn các tiristo chuyển mạch ở các thời điểm cấp xung điều khiển theo góc điều khiển . Khi <60 o thì điện áp U d luôn dơng. Nhng khi >60 o sẽ xuất hiện các giai đoạn 2 van thẳng hàng cùng dẫn điện đồng thời T1-D4, T3-D6,T5-D2; khi đó dòng điện I d = 0 chỉ chảy trong tải mà không chảy về nguồn nên năng lợng đợc giữ ở tải không trả về nguồn. Ta có thể coi sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha không đối xứng tơng đơng 2 mạch chỉnh lu hình tia: Chỉnh lu hình tia 3 pha điều khiển gồm T1, T3, T5 có: U K = cos U doTia = 1,17U 2 cos Chỉnh lu hình tia 3 pha không điều khiển gồm D2, D4, D6 có: U A = cos U doTia = 1,17U 2 Tổng hợp lại ta có: Chế độ và chức năng Điện áp trên mạch tải: 8 U d = U K + U A = 1,17U 2 (1 + cos) = 2,34U 2 . 2 cos1 + = U dmax . 2 cos1 + Chế độ hoạt động: chế độ chỉnh lu với = 0 ữ , U d = 0 ữ U dmax Chức năng: ổn định điện áp và dòng ra tải bằng cách thay đổi Thông số chọn van: Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van: UU dng maxmax 3 = Dòng trung bình qua van: I v = I d /3 Ưu nhợc điểm của sơ đồ: - Ưu điểm: Mạch điều khiển đơn giản Hệ số cos lớn - Nhợc điểm: Không hoàn trả năng lợng về nguồn đợc khi 2 van thẳng hàng cùng dẫn điện Chất lợng điện áp thấp, hệ số đập mạch nhỏ (m đm =3) nên yêu cầu cao về bộ lọc. Làm lệch pha lới điện khi thay đổi góc điều khiển 2.2.3. Chỉnh lu điều khiển 3 pha đối xứng Sơ đồ nguyên lý: 9 • D¹ng ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn 10 [...]... đổi cũng nh lĩnh vc đièu khiển +Phần năng lợng tạo ra tín hiệu đủ công suất để đóng mở các van động lực - Phân loại:Thông thờng các bộ biến đổi có thể chia ra làm 2 nhóm: + Bộ biến đổi phụ thuộc + Bộ biến đổi độc lập Do đó ta cũng có 2 loại hệ điều khiển: +Hệ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc (chỉnh lu ,bộ BĐXA xuay chiều) +Hệ điều khiển bộ biến đổi độc lập (nghịch lu đôc lập và BBĐXA 1 chiều) cũng có... điểu khiển tơng tự và hệ điều khiển số 2.Yờu cu mch iu khin chnh lu : Mạch điều khiển cho bộ nguồn lò nấu thép thuộc hệ điếu khiển bộ biến đổi phụ thuộc.ở đây ta sử dụng mạch điểu khiển tơng tự Những yêu cầu cần thực hiện đối với mạch là: Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha va với góc điều khiển cần thiết Đảm bảo phạm vi góc điều khiển min ữ max tơng ứng với phạm vi thay đổi điện áp... đồ: Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua VK = UC; VA = UB - Khi = + cho xung điều khiển mở T1 Thyristor này mở vì Ua>0 Sự 6 mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U a > Uc Lúc này T6 và T1 cho dòng đi qua Điện áp r a trên tải: U d = U ab = U a U b - Khi = 3 + cho xung điều khiển mở T2 Thyristor này mở vì T6 dẫn 6 dòng, nó đặt U b lên catot T2 mà Ub > Uc Sự mở của T2 làm cho T6... 1,05*Pđmax Với máy biến áp có chức năng nguồn áp một chiều S ba =1,05* Pđmax* 1 + tg 2 max 2.3 Kết luận Qua việc phân tích hai phơng án trên, ta thấy chọn sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là phù hợp nhất do đáp ứng đợc các yêu cầu đặt ra với những u điểm nổi bật: - Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lu - Chất lợng điện áp tốt nên thiết kế bộ lọc đơn giản, tiết kiệm 12 -... lợng điện áp tốt nên việc thiết kế bộ lọc đơn giản, tiết kiệm Có khả năng hoàn trả năng lợng về lới tốt khi tải có tính chất cảm kháng Dòng điện máy biến áp đối xứng khi thay đôỉ góc Nhợc điểm: - Mạch điều khiển phức tạp nhng có thể khắc phục đợc - Dải điều chỉnh Ud hẹp - Hệ số sử dụng máy biến áp thấp hơn vì cosba = cos Với máy biến áp, ta có Với máy biến áp điều chỉnh công suất Sba = 1,05*Pđmax Với... 0,1256 rad = 7,20 Thng gấp 2ữ 2,5 min Ta chn = 200 Ta cú : U ddm = 2 2U ra Cos 2 2 500.Cos 20 = 422(V ) 13 Pt 200.103 I = = = 472,8( A) d U 423 d 3.1.Tính toán bộ lọc Lọc bằng điện cảm rất phù hợp với tải công suất lớn vì công suất càng lớn thì điện trở tải Rt sẽ càng nhỏ và dễ dàng thực hiện điều kiện lọc tốt là XL>> Rt k dmv = 2 2 mdm 1 (mdm tg ) 2 + 1 (116_ĐTCS) Với mđm=6 chọn góc đk =100... tần Tải Uđk Uđ Bộ điều chỉnh Uph Khâu đồng pha : có nhiện vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lới, cho phép xác định đợc góc điều khiển điện áp tựa có thể là dạng arcos hoặc dạng răng ca Dạng arcos cho điện áp chỉnh lu tuyến tính với điện áp điều khiển : Ud = Udo.cos = Udo.( Udk /Urc max ) Tuy nhiên với dạng điện áp này có nhợc điểm là phụ thuộc vào lới điện và bị nhiễu theo đờng nguồn Nên thc... áp Uk để tạo ra tín hiệu đồng bộ trùng với thời điểm điện áp lới đi qua điểm 0 Tín hiệu đồng bộ này sẽ mở khoá điện tử là MosFet Q1 để giảm điện áp trên tụ C1 về 0 Khi hoá Q1 hở mạch , tụ C1 nạp điện theo công thức Uc=E.t/R8 và ở đầu ra của KĐTT OA4 sẽ có tín hiệu răng ca Sau đó tín hiệu răng ca sẽ đựoc so sỏnh với tín hiệu điều khiển nhờ bộ so sánh bằng KĐTT OA5 *Bộ KĐTT OA6 là một đa hài dao động... *2 bộ KĐTT OA2 , OA3 làm nhiệm vụ phân phối xung cho từng Tiristor trong cùng 1 pha *Tín hiệu cao tần sẽ đợc trộn với tín hiệu điều khiển sau khâu so sánh và với các tín hiệu phân phối để tạo ra tín hiệu cho từng Tiristor riêng biệt Những tín hiệu này đợc khuyếch đại và thông qua biến áp xung đa trực tiếp lên cực điều khiển của Tiristor *Trên đây là nguyên lý của một kênh điều khiển.Ta cần thiết kế. .. trị âm , Uph lấy từ cặp nhiệt qua khuếch đại so sánh với Uđặt sao cho | Uđặt | > Upha để có Udk> 0 Thật vậy Udk = -k*U= -k( Uph-| Uđặt | ) > 0 nên Uph< | Uđặt | Khi tăng nhiệt độ Uph tăng suy ra (Uph + Ud ) giảm nên UC giảm , Udk giảm suy ra giảm nhiệt độ cung cấp cho lò Khi nhiệt độ giảm tơng tự Udk tăng , tăng nhiệt độ cung cấp cho lò 4.4.5 Khâu tạo tạo điện áp phân phối tín hiệu điều khiển 36 . và công suất của lò. Công thức gần đúng để tính tần số dòng điện là: f min 2 8 .10.25 d Công thức trên cho thấy rằng khi công suất lò lớn, nghĩa là khi bán kính liệu hoặcdung tích của lò. điện cung cấp cho lò không có lõi sắt để luyện thép vẫn đợc lựa chọn nh trên. Chơng 2.Phơng án thiết kế Sơ đồ khối của bộ biến tần cấp cho là nấu thép Trong đó: U 21 : điện áp vào bộ chỉnh lu. U d1 . lựa chọn tần số phụ thuộc rất nhiều vào công suất của lò. Quan hệ giũă tần số và công suất của lò đợc thể hiện qua những số liệu sau: 4 Công suất lò (kW) Tần số (Hz) <150 2000 ữ 3000