bài tập lớn hồ quang điện

Lò điện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra nhờ hiệu ứng Joulelò điện trở, nhờ phóng điện hồ quang lò hồ quang, nhờ tác dụng nhiệt của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

BÀI TẬP LỚN

TRANG BỊ ĐIỆN

ĐỀ TÀI : LÒ HỒ QUANG

Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Ngọc Khoát Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Thương

Lớp : Đ3 - CNTĐ

Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2012

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng dùng để nung nóng, sấy khô, nấu chảy các chất….nên nhiệt năng là nhu cầu không thể thiếu trong đời sống của chúng ta Nguồn nhiệt nhiệt năng này được chuyển từ điện năng qua các lò điện là rất phổ biến , thuận tiện Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết

Lò điện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra nhờ hiệu ứng Joule(lò điện trở), nhờ phóng điện hồ quang (lò hồ quang), nhờ tác dụng nhiệt của dòng điện xoáy Foucault thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ (lò cảm ứng) v.v…Ở lò hồ quang , yêu cầu kĩ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò Từ những yêu cầu kĩ thuật cụ thể để tính toán và thiết kế mạch điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra dưới đây là bản đồ án tìm hiểu cơ bản về lò hồ quang

Đồ án đã được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Ngọc Khoát

Đồ án được chia thành 3 phần chính như sau:

1 Giới thiệu sơ lược về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò hồ quang

2 Thiết kế và tính toán mạch lực

3 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÒ HỒ QUANG

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN

1.1 Giới thiệu chung

Lò điện là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, được sử dụng rộng rãi trong các quá trình công nghệ khác nhau như nấu luyện các vật liệu,các kim loại và hợp kim khác nhau…

Trong đời sống hiện nay, nhu cầu sử dụng nhiệt năng là rất lớn như phục vụ cho nấu nướng, là ủi, sưởi ấm, đun nước….Trong công nghiệp, nhiệt năng được dùng để đun, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy các chất…

Các lò điện chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng theo nhiều nguyên lý

khác nhau:

- Dùng nhiệt của hiệu ứng Junle Lenxo(lò điện trở hay lò dây đốt)

- Dùng nhiệt của ngọn lửa hồ quang điện.(lò hồ quang)

- Dùng nhiệt của dòng điện xoáy Foucault thông qua hiên tượng cảm ứng điện từ.(lò cảm ứng)

- Dùng dao động nhiệt phân tử dưới tác dụng của điện từ trường biến thiên (lò gia nhiệt chất điện môi, sấy chất điện môi, hàn dán nilon…)

1.2 Đặc điểm

- Là thiết bị có khả năng tạo ra nhiệt độ cao do nhiệt độ tập chung trong một thể tích nhỏ, do nhiệt năng tập chung nên lò có tốc độ nung nhanh và có năng suất cao

- Đảm bảo nung đều , dễ điều chỉnh khống chế nhiệt và chế độ nhiệt

- Lò đảm bảo được độ kín và khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ vì vậy mà độ cháy kim loại tiêu hao không đáng kể

- Lò có khả năng cơ khi hóa và tự động hóa ở mức cao

- Lò đảm bảo được điều kiện vệ sinh không có bụi, không có khói

1.3 Ứng dụng của lò điện

Trong kĩ thuật :

- Sản xuất thép chất lượng cao

- Sản xuất hợp kim phe-rô

- Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện

- Nung các sản phẩm trước khi cán , rèn đập , kéo sợi

- Sản xuất đúc các kim loại bột

- Trong các ngành công nghiệp nhẹ và công nghiệp thực phẩm : lò điện được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị vật phẩm

- Trong các lĩnh vực khác lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thủy tinh , gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa…

Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và

đa dạng như : bếp từ , bình đun nước điện,ấm nước, nồi cơm điện, bàn là…

1.4 ưu điểm của lò điện so với lò sử dụng nguyên liệu

- Có khả năng tạo được nhiệt độ cao

- Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao

- Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh tốc độ điện và nhiệt độ.

- Kín

- Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm

- Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ

1.5 phân loại lò điện

Từ các cách thu nhiệt năng từ điện năng , ta phân ra các loại lò điện chính như sau:

- lò điện trở

- lò hồ quang

- lò cảm ứng

II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ HỒ QUANG

2.1 Đặc điểm công nghệ

a Khái niệm

Lò hồ quang là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa các điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại

b Phân loại lò hồ quang

• Theo dòng điện sử dụng

- Lò hồ quang 1 chiều

- Lò hồ quang xoay chiều (thường là 3 pha)

• Theo cách cháy của ngọn lửa hồ quang

- Lò nung chảy gián tiếp: ngọn lửa cháy giữa 2 điện cực (graphit)

- Lò nung chảy trực tiếp : ngọn lửa cháy giữa điện cực và kim loại

• Theo đặc điểm của chất liệu vào hồ quang

- Lò chất liệu bên sườn : kim loại đưa vào lò qua cửa lò bên sườn bằng phương pháp thủ công hay máy chất liệu

- Lò chất liệu trên đỉnh : dùng gầu chất liệu Loại này có cơ cấu mở nóc vòm

c cấu tạo và kết cấu của lò hồ quang

Một lò hồ quang bất kì đều phải có các bộ phận chính sau:

- Nồi lò có lớp vỏ cách nhiệt ,cửa lò và miệng rót

- Vòm, nóc có vỏ cách nhiệt

- Giá nghiêng lò

- Điện cực

- Giá đỡ điện cực

Và các cơ cấu sau:

- Cơ cấu nghiêng lò để rót nước thép và xỉ

- Cơ cấu quay vỏ lò xung quanh trục chính của mình

- Cơ cấu dịch chuyển vỏ lò để nạp liệu

- Cơ cấu nâng vòm để dịch chuyển vỏ lò

- Cơ cấu dịch chuyển điện cực

- Cơ cấu nâng tấm chắn gió của cửa lò

d Các thông số quan trọng của lò hồ quang

- Dung tích định mức của lò: số tấn kim loại lỏng của một mẻ nấu

- Công suất định mức của biến áp lò : ảnh hưởng quyết định đến thời gian nấu luyện nghĩa là tới năng suất lò

e Chu trình làm việc của lò

Chu trình nấu luyện của lò gồm 3 giai đoạn như sau:

- Giai đoạn nung nóng liệu và nấu chảy kim loại :

Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ khoảng

60 – 80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm 50-60% toàn bộ thời gian một chu trình

Ở giai đơạn này thường xuyên xảy ra ngắn mạch làm việc trong thời gian ngắn,

số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 hoặc hơn Thời gian cho phép của 1 lần ngắn mạch làm việc là 2-3s

Đây là giai đoạn hồ quang cháy kém ổn định nhất, công suất nhiệt của hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồ quang rất ngắn , thường từ vài mm đến 10 – 15mm, điện áp cấp và công suất ra của biến áp lò là lớn nhất

- Giai đoạn oxy hóa và hoàn nguyên:

Giai đoạn oxy hóa là quá trình khử C của kim loại đến một giới hạn nhất định tùy theo yêu cầu công nghệ , khử P và S , khử khí trong gang rồi tinh luyện Giai đoạn này hồ quang cần duy trì ổn định, công suất nhiệt bằng khoảng 60% công suất nhiệt của giai đoạn 1

Giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử oxy, khử sunfua và hợp kim hóa kim loại Công suất nhiệt giai đoạn này bằng khoảng 30% so với giai đoạn 1 Chiều dài ngọn lửa hồ quang khoảng vài chục mm

- Giai đoạn phụ:

Đây là giai đoạn lấy sản phẩm đã nấu luyện, tu sửa làm vệ sinh và chất liệu vào lò

2.2 Đặc tính phụ tải

Công nghệ lò hồ quang có môi trường làm việc ở nhiệt độ cao nên các phụ tải

phải đảm bảo độ bền nhiệt

Công suất của lò thay đổi tùy theo mỗi giai đoạn hoạt động của lò

2.3 Yêu cầu truyền động

Cơ cấu dịch trục thỏa mãn các yêu cầu truyền động sau:

- Đảm bảo liên kết động học cứng tối đa của động cơ với điện cực, loại trừ ảnh hưởng của độ co giản (đàn hồi) của các khâu đến chất lượng điều chỉnh

- Đảm bảo các điện cực làm việc không sứt mẻ khi chạm vào liệu trong trường hợp điều khiển bằng tay và chạm vào vật không dẫn điện trong thép vụn trong trường hợp điều khiển tự động

- Đảm bảo điện cực không bị tụt xuống dưới tác dụng của trọng lượng bản than

- Ma sát nhỏ nhất và ổn định trong mọi trường hợp và trong tất cả các bộ phận của

hệ thống

- Đảm bảo liên kết động học cứng tối đa của động cơ với điện cực, loại trừ ảnh hưởng của độ co giản (đàn hồi) của các khâu đến chất lượng điều chỉnh

- Độ hở nhỏ nhất đối với truyền động

- Hiệu suất có thể tối đa và sự khác nhau nhỏ nhất trong các mômen tải trọng tĩnh khi nâng và hạ các điện cực; cho phép giảm công suất động cơ điều chỉnh và cải thiện một cách cơ bản tính chất động lực học của hệ thống điều chỉnh

- Có thể tăng tốc và hãm nhanh các cơ cấu

- Tốc độ nâng điện cực có thể tối đa khi điều khiển bằng tay cũng như khi điều khiển tự động Có thể nâng điện cực nhanh hơn theo ý muốn để khử nhanh sự phóng điện ở giai đoạn nấu chảy và giảm nhẹ công suất của máy điện cũng như giảm sự tiêu hao không sinh công của công suất điện được dẫn vào lò

Cơ cấu chấp hành (cơ cấu dịch cực ) có thể truyền động bằng điện - cơ hay thuỷ lực Trong cơ cấu điện - cơ, động cơ được dùng phổ biến là động cơ điện một chiều kích từ độc lập vì nó có mômen khởi động lớn, giải điều chỉnh rộng, bằng phẳng, dễ điều chỉnh và có thể dễ mở máy, đảo chiều, hãm Đôi khi cũng dùng động cơ không đồng bộ có mômen quán tính của roto nhỏ

2.4 Tính chọn công suất

a Công suất biến áp lò BAL

Công suất của biến áp lò có thể xác định gần đúng từ điều kiện công suất nhiệt trong giai đoạn nóng chảy, vì ở giai đoạn còn lại công suất nhiệt lò yêu cầu ít hơn Nếu giả thiết rằng: trong giai đoạn nấu chảy, tổn thất trong lò hồ quang, trong biến áp lò và trong cuộn kháng CK được bù trừ bởi năng lượng của phản ứng toả nhiệt thì công suất của biến áp lò được tính theo biểu thức:

W cos

S

t nc k sd φ

= [kVA] (1.1)

Trong đó:

W- năng lượng hữu ích và tổn hao nhiệt trong thời gian nấu chảy và dừng

lò giữa hai lần nấu, [kWh]

tnc- thời gian nấu chảy, [h]

ksd- hệ số sử dụng công suất của lò trong giai đoạn nấu chảy

cosφ- hệ số công suất của lò

Năng lượng hữu ích và tổn hao nhiệt W có thể tính được theo công thức:

W = WG [kWh] (1.2) Trong đó:

W- suất chi phí điện năng để nấu chảy một tấn kim loại, [kWh/T]

G- khối lượng kim loại nấu chảy, [T]

b Điều chỉnh công suất lò hồ quang

Trong một chu trình nấu luyện của lò hồ quang, trong mỗi giai đoạn, công suất điện tiêu thụ khác nhau Bởi vậy, điều chỉnh công suất lò hồ quang là một vấn đề quan trọng đối với công nghệ nấu luyện kim loại trong lò hồ quang

Điều chỉnh công suất lò trong toàn chu trình nấu luyện hợp lý thì :

- Giảm thời gian nấu luyện

- Nâng cao năng suất của lò

- Giảm chi phí điện năng

- Nâng cao chất lượng thép.

Điều chỉnh công suất lò hồ quang có thể thực hiện bằng cách thay đổi điện áp ra của BAL hoặc bằng sự dịch chuyển điện cực để thay đổi chiều dài ngọn lửa hồ quang từ đó sẽ thay đổi được điện áp hồ quang, dòng điện hồ quang và công suất tác dụng của hồ quang Như vậy, điều chỉnh dịch điện cực tức là điều chỉnh chiều dài ngọn lửa hồ quang, do đó điều chỉnh được công suất lò hồ quang

Có 3 giải pháp điều khiển để điều chỉnh công suất lò:

1 Phương pháp giữ dòng điện hồ quang I hq= const: Thực chất là giữ khoảng cách giữa điện cực và kim loại trong lò không đổi

Phương pháp này có nhược điểm là không mồi hồ quang tự động được, cần phải

hỗ trợ mồi

Ngoài ra, trong trường hợp có một pha không phát hồ quang (hồ quang bị đứt) thì

sẽ làm giảm dòng : 3

2

f hq

U I

Z

= , do đó các bộ điều chỉnh 2 pha còn lại sẽ tiến hành

hạ điện cực mặc dù không cần việc đó (tác động không chính xác)

Phương pháp này chỉ dùng cho lò hồ quang một pha và chủ yếu dùng cho lò hồ quang chân không

2 Phương pháp duy trì điện áp hồ quang không đổi U hq= const: Gặp khó khăn trong việc đo điện áp Do người ta không đo trực tiếp điện áp hồ quang nên phải đo gián tiếp: cuộn dây đo được nối giữa thân kim loại của lò và thanh cái thứ cấp

MBA Do vậy điện áp đo phụ thuộc dòng tải và sự thay đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới hai pha còn lại như ở phương pháp đầu tiên

3 Phương pháp điều khiển duy trì hq hq

hq

U Z

I = = const: Là phương pháp điều khiển

tốt nhất

Phương pháp này điều khiển thông qua hiệu số các tín hiệu dòng và áp:

a.I hq - b.U hq = b.I hq(Z 0hq-Z hq)

Trong đó:

- a, b : là hệ số phụ thuộc hệ số các biến áp đo lường (TI,TU) và điện trở điều chỉnh trên mạch

- Z 0hq,Z hq: Giá trị đặt và giá trị thực của tổng trở HQ

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

Các yêu cầu chính đề ra cho một bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang là:

- Đủ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò, duy trì dòng điện hồ quang không tụt quá (4÷5)% trị số dòng điện làm việc Vùng không nhạy của bộ điều chỉnh không quá ± (3÷6)% trong khi nấu chảy và ± (2÷4)% trong các giai đoạn khác

- Tác động nhanh, đảm bảo khử ngắn mạch hay đứt hồ quang trong thời gian (1,5 ÷3)s Điều đó sẽ làm giảm số lần ngắt máy cắt chính, giảm sự thấm Carbon của kim loại… Các lò hồ quang hiện đại không cho phép ngắt máy cắt chính quá 2 lần trong giai đoạn nấu chảy Đảm bảo yêu cầu này nhờ tốc độ dịch cực nhanh tới (2,5÷3)m/ph trong giai đoạn nấu chảy (khi dùng truyền động điện cơ) và

(5÷6)m/ph (khi truyền động thuỷ lực) Dòng điện hồ quang càng lệch xa vị trí đặt thì tốc độ dịch cực phải nhanh

- Thời gian điều chỉnh ngắn

- Hạn chế tối thiểu sự dịch cực không cần thiết như khi chế độ làm việc bị phá

vỡ trong thời gian rất ngắn hay trong chế độ thay đổi tính đối xứng Yêu cầu này càng cần đối với lò 3 pha không có dây trung tính Chế độ hồ quang của một pha nào đó bị phá huỷ sẽ dẫn theo phá huỷ chế độ hồ quang của pha còn lại Điện cực các pha còn lại đang ở vị trí chuẩn cũng có thể bị dịch chuyển Do vậy mỗi pha cần có hệ điều chỉnh độc lập để sự làm việc của nó không ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các pha khác

- Thay đổi công suất lò trơn trong giới hạn 20÷125% trị số định mức với sai số không quá 5%

- Có thể di chuyển nhanh từ chế độ điều khiển tự động sang chế độ điều khiển bằng tay do phải thực hiện thao tác phụ nào đó (chẳng hạn nâng điện cực trước khi chất liệu vào lò) và ngược lại, chuyển nhanh về chế độ điều khiển tự động

- Tự động châm lửa hồ quang khi bắt đầu làm việc và sau khi đứt hồ quang Khi ngắn mạch thì việc nâng điện cực lên không làm đứt hồ quang

- Dừng mọi điện cực khi mất điện lưới

CHƯƠNG II : PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ TRUYỀN ĐỘNG

1.1 Sơ đồ mạch lực

Hình 2 : Sơ đồ điện (mạch lực) lò hồ quang dung lượng dưới 20T

Điện cấp cho lò hồ quang lấy từ trạm biến áp lò Điện áp vào là 6, 10, 35 hay 110kV tùy theo công suất lò

1.2 Các phần tử trong mạch:

• Các phần tử bảo vệ :

- Cầu dao cách ly CL: Dùng phân cách mạch động lực của lò với lưới khi cần

thiết,chẳng hạn lúc sửa chữa

- Máy cắt 1MC: Dùng đóng cắt mạch lực dưới tải và để bảo vệ lò hồ quang khỏi

ngắn mạch sự cố

- Máy cắt 2MC : Đóng/mở để cho phép cuộn kháng CK tham gia vào mạch hạn chế

dòng ngắn mạch

Lúc ngắn mạch làm việc, máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng CK tham gia vào mạch, hạn chế dòng ngắn mạch

Khi nguyên liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệt lớn để nấu luyện, máy cắt 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng CK

Ở giai đoạn hoàn nguyên (KL đã được nóng chảy hết), công suất lò yêu cầu ít hơn

để tránh bốc hơi thì máy cắt 2MC mở ra để đưa cuộn kháng CK vào mạch, làm giảm công suất cấp cho lò

- Máy cắt 3MC,4MC: Dùng để đổi nối cuộn sơ cấp thành hình Y hoặc tam giác.

- ĐKBV : Khối điều khiển bảo vệ dùng để điều khiển và bảo vệ TU, 1TI, 2TI

• Các phần tử khác :

- Máy biến dòng và áp:

+ 1TI : máy biến dòng dùng để biến đổi dòng điện lớn của mạch sơ cấp thành dòng thứ cấp có trị số nhỏ hơn để đưa vào mạch KĐBV

+ 2TI : Máy biến dòng dùng để biến đổi dòng điện của BAL thành dòng có trị

số nhỏ hơn để đưa vào mạch bảo vệ ĐKBV

+ TU : Máy biến điện áp dùng để hạ điện áp cao xuống điện áp thấp hơn theo yêu cầu Trong sơ đồ trên ta thấy cuộn dây sơ cấp của TU được nối với phía điện

áp cao qua cầu chì bảo vệ cao áp, cuộn dây thứ cấp cấp nguồn cho ĐKBV Để an toàn một đầu của phía hạ áp của BU đã được nối đất

- Vôn kế : dùng để đo hiệu điện thế giữa 2 pha

- Ampemet dùng để đo trị số dòng điện

- Cuộn kháng CK : dùng để hạn chế dòng điện khi ngắn mạch làm việc và ổn định

sự cháy của hồ quang

- BAL : Máy biến áp lò dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp cấp cho lò

Thứ cấp của BAL là các thanh dẫn, cấp điện cho các điện cực ĐC

- MN : mạch ngắn hay dây dẫn nối giữa thanh dẫn với điện cực dùng để dẫn dòng điện rất lớn (hàng chục đến hàng trăm nghìn Ampe)

- Điện cực ĐC: Là phần tạo ra hồ quang

1.3 Nguyên lý làm việc

Quá trình cấp điện áp cho lò:

• Giai đoạn nung nóng liệu và nấu chảy kim loại :