Tài liệu Trang bị điện II (phần 3) pdf

+ Cuộn kháng CK dùng để hạn chế dòng ngắn mạch làm việc dòng ngắn mạch làm việc không được lớn hơn 3 lần dòng định mức, ngoài ra cuộn kháng còn có chức năng đảm bảo cho ngọn lửa hồ quang

Chương 3

LÒ HỒ QUANG

3.1 Khái niệm chung

Lò hồ quang lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang để nấu chảy kim loại và nấu thép hợp kim chất lượng cao

Lò hồ quang được cấp nguồn từ biến áp lò đặc biệt với điện áp đặt vào cuộn sơ cấp (6 ÷ 10)kV, và có hệ thống tự động điều chỉnh điện áp dưới tải 1.Các thông số quan trọng của lò hồ quang là:

+ 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 tới thời gian nấu luyện và năng suất của lò

2 Chu trình nấu luyện của lò hồ quang gồm ba giai đoạn với các đặc điểm công nghệ sau:

+ Giai đoạn nung nóng nguyên 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 của toàn mẻ nấu luyện và thời gian chiếm 50 ÷ 60% toàn bộ thời gian một chu trình (thời gian một mẻ nấu luyện) Trong giai đoạn này thường xuyên xảy ra hiện tượng ngắn mạch làm việc, ngọn lửa hồ quang cháy kém ổn định, công suất nhiệt không cao do ngọn lửa hồ quang ngắn (1 ÷ 10mm)

+ Giai đoạn ôxy hoá là giai đoạn khử cacbon (C) của kim loại đến một trị

số hạn định tuỳ theo mác thép, khử phốt pho (P) và khử lưu huỳnh trong mẻ nấu Ở giai đoạn này, công suất nhiệt chủ yếu để bù lại tổn hao nhiệt trong quá trình nấu luyện; nó chiếm khoảng 60% công suất nhiệt của giai đoạn nấu chảy kim loại

+ Giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử oxy, khử sulfua trước khi thép

ra lò Công suất nhiệt của ngọn lửa hồ quang trong giai đoạn này khá ổn định Công suất yêu cầu chiếm khoảng 30% của giai đoạn nấu chảy kim loại

Độ dài cung lửa hồ quang khoảng 20mm

3 Cấu tạo và kết cấu của lò hồ quang

Một lò hồ quang bất kỳ đều phải có các bô phận chính sau:

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

+ Vòm, nóc lò 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 của mình

+ Cơ cấu dịch chyển vỏ lò để nạp liệu

+ Cơ cấu nâng vòm lò để dịch chuyển vỏ lò

+ Cơ cấu dịch chuyển điện cực

+ Cơ cấu nâng tấm chắn gió của cửa lò

Trong sáu cơ cấu trên (trừ cơ cấu dịch chuyển điện cực) đều dùng hệ truyền đông xoay chiều với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc hoặc rôto dây quấn Còn cơ cấu dịch chuyển điện cực dùng hệ truyền đông một chiều Động cơ truyền đông là động cơ điện một chiều kích từ độc lập được cấp nguồn từ một bộ biến đổi Bộ biến đổi có thể là:

- Máy điên khuếch đại

- Khuếch đại từ

- Bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng Thyristor

Chế độ làm việc của động cơ dịch chuyển địện cực là chế độ ngắn hạn lặp lại

Cấu tạo và kết cấu của lò hồ quang được giới thiệu trên hình 3.1

3.2 Sơ đồ cung cấp điên của lò hồ quang

Sơ đồ cung cấp điện cho lò hồ quang được giới thiệu trên hình 3.2

Nguồn cấp cho lò hồ quang được lấy từ trạm phân phối trung gian với cấp điện áp 6, 10, 20 hoặc 22kV (tuỳ theo cấp điện áp của trạm phân phối)

Sơ đồ cấp điện có các thiết bị chính sau:

+ Cầu dao cách ly, đóng cắt không tải dùng để cách ly mạch lực của lò và lưới điên trong trường hợp cần sửa chữa

+ Máy cắt dầu 1MC, đóng cắt có tải cấp điện cho lò

+ Cuộn kháng CK dùng để hạn chế dòng ngắn mạch làm việc (dòng ngắn mạch làm việc không được lớn hơn 3 lần dòng định mức), ngoài ra cuộn kháng còn có chức năng đảm bảo cho ngọn lửa hồ quang cháy ổn định, đặc biệt là trong giai đoạn nung nóng và nấu chảy kim loại Sau đó cuộn kháng

CK được ngắn mạch bằng máy cắt dầu 2MC

+ Máy cắt dầu 3MC và 4MC dùng để đổi nối sơ đồ đầu dây cuộn sơ cấp của biến áp lò (BAL) thành hình sao (Y) hoặc tam giác (∆)

+ Biến áp lò (BAL) dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp cấp cho lò Biến

áp lò về cấu tạo và hình dáng giống như biến áp động lực thông thường, nhưng nó làm việc trong môi trường khắc nghiệt, điều kiện làm việc nặng nề cho nên so với biến áp động lực thông thường nó có những đặc điểm khác biệt sau:

- Cùng một cấp công suất, biến áp lò có kích thước và khối lượng lớn hơn

- Dòng ngắn mạch nhỏ (Inm ≤ 3Iđm)

- Có độ bền cơ học cao để chụi được sự tác động của lực điện từ phát sinh trong các cuộn dây và thanh dẫn trong trường hợp xảy ra hiện tượng ngắn mạch làm vịệc

Hình 3.1 Cấu tạo và kết cấu lò hồ quang

5.giá nghiêng lò; 6 Cơ cấu nghiêng lò; 7.Cơ cấu dịch chuyển vỏ lò; 8 cơ cấu nâng vòm lò; 9 điện cực; 10 giá đỡ điện cực; 11.cơ cấu dịch chuyển điện cực;

12 đầu cấp điện vào điện cực

Hình 3.2 Sơ đồ cung cấp điện lò hồ quang Hình 3.1 Cấu tạo và kết cấu lò hồ quang

- Có khả năng tự động điều chỉnh điện áp dưới tải trong phạm vi khá rộng

khi điện áp lưới dao động

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:

ϕ

cos sd

nc k t

W

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:

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

Thông số kỹ thuật của một số lò hồ quang do Nga chế tạo ba pha có vòm

lò quay và nạp liệu từ đỉnh được giới thiệu trong bảng 3.1

+ Thiết bị đo lường và bảo vệ

- Phía cao áp có biến dòng TI1 và biến điện áp TU dùng cho các khí cụ đo

lường: vôn kế (V), ampe kế (A), wat kế (W), đồng hồ đo công suất hữu công

(kWh) và đồng hồ công suất vô công (kVAr)

- Phía hạ áp có biến dòng TI2 dùng để đo dòng và đưa tín hiệu đến mạch

bảo vệ ĐKBV (khối điều khiển và bảo vệ)

3.3 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

Ngoài ra, điều chỉnh công suất lò trong toàn chu trình nấu luyện hợp lý cho

phép:

- Giảm thời gian nấu luyện

- Nâng cao năng suất của lò

- Giảm chi phí điện năng

- Nâng cao chất lượng thép

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật một số loại lò hồ quang

Thông số

Dung lượng

định mức (T) 0,5 1,5 3 6 12 25 50 100 100 200 Công suất

biến áp lò

(MVA)

0,63 1,25 2,0 4,0* 8,0* 12,5* 20* 32* 80** 6

Giới hạn điện

áp lưới (V) 216 - 106 225 - 110 243 - 124 281 - 120 380 - 120 390 - 130

420

-

155

476

-

161

761

-

259

695 -193 Điện áp sơ

cấp (kV) 6(10) 6(10) 6(10) 6(10) 6(10) 10(35) 35 35 35 110

Số cấp điện

Năng lượng

để nấu chảy

kW.h/T

560 535 515 480 445 435 425 420 420 420

Đường kính

điện cực

graphic (mm)

150 200 200 300 350 400 500 555 610 610

Điều chỉnh công suất lò bằng cách thay đổi điện áp ra của BAL hoặc sự dịch chuyển điện cực để thay đổi chiều dài ngọn lửa hồ quang và như vậy sẽ thay đổi được điện áp hồ quang và công suất tác dụng của hồ quang Có thể duy trì công suất lò theo dòng Ihq, điện áp Uhq hoặc Zhq = Uhq/Ihq

• Bộ điều chỉnh duy trì dòng Ihq =const sẽ không mồi hồ quang tự động được Ngoài ra, khi dòng điện trong một pha nào đó thay đổi sẽ làm cho dòng 2 pha còn lại thay đổi Ví dụ như đứt 1pha, dòng 2 pha còn lại giảm xuống và lúc đó bộ điều chỉnh thực hiện việc hạ điện cực xuống mặc dầu không cần việc đó Các bộ điều chỉnh này chỉ dùng cho lò một pha, chủ yếu

là lò hồ quang chân không

• Bộ điều chỉnh duy trì điện áp Uhq = const có khó khăn trong việc đo thông

số này Thực tế, cuộn dây đo được nối giữa thân kim loại của lò và thanh cái thứ cấp BAL Do vậy điện áp đo được phụ thuộc vào dòng tải và sự thay đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới 2 pha còn lại như đã trình bày

• Bộ điều chỉnh duy trì Uhq/Ihq = Zhq = const là tối ưu thông qua hiệu số các tín hiệu dòng và áp:

aIhq – bUhq = bIhq(Z0hq – Zhq)

Trong đó: a,b các hệ số phụ thuộc biến áp, biến dòng…

Z0hq, Zhq giá trịđặt và giá trị thực của tổng trở hồ quang 1/bIhq(aIhq - bUhq) = Z0hq – Zhq = ∆Zhq

Như vậy việc điều chỉnh thực hiện theo độ lệch của tổng trở hồ quang so với giá trị đặt Phương pháp này dễ mồi hồ quang, duy trì được công suất lò,

ít chụi ảnh hưởng của dao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha

Mỗi giai đoạn làm việc của lò hồ quang (gồm nấu chảy, ôxy hoá, hoàn nguyên) đòi hỏi một công suất nhất định, mà công suất này lại phụ thuộc chiều dài ngọn lửa 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 Đó là nhiệm vụ cơ bản của các bộ điều chỉnh tự động các lò hồ quang

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

1 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

2 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

3.Thời gian điều chỉnh ngắn

4 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

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

6 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

7.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

8 Dừng mọi điện cực khi mất điện lưới

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

3.4 Một số sơ đồ khống chế dịch cực lò hồ quang

1 Sơ đồ chức năng một pha khống chế dịch cực hồ quang (hình 3.3)

Hệ gồm đối tượng điều chỉnh 7 (lò hồ quang) và bộ điều chỉnh vi sai Bộ điều chỉnh gồm các phần tử cảm biến dòng 1 và biến áp 2, phần tử so sánh 3,

bộ khuếch đại 5, cơ cấu chấp hành 6 và thiết bị đặt 3 Trên phần tử so sánh 4

có hai tín hiệu từ đối tượng tới (từ đối tượng dòng và áp) và một tín hiệu từ thiết bị đặt tới Tín hiệu so lệch từ phần tử so sánh được khuếch đại qua bộ khuếch đại 5 rồi đến cơ cấu chấp hành 6 để dịch cực theo hướng giảm sai lệch Để hoàn thiện đặc tính động của hệ, nâng cao chất lượng điều chỉnh, thường sơ đồ còn có các phần tử phản hồi về tốc độ dịch cực, về tốc độ thay đổi dòng , áp hồ quang v.v…Trong sơ đồ cũng có thể có các phần tử chương trình hoá, máy tính v.v…

Hệ điều chỉnh có thể dùng khuếch đại từ, khuếch đại máy điện, Thyristor, thuỷ lực, ly hợp điện từ…

1

5 3

4 1

5 3

4

Hình 3.3 Sơ đồ khối chức năng hệ điều chỉnh công suất lò hồ quang

2 Sơ đồ một pha khống chế dịch cực lò hồ quang dùng máy điện khuếch đại - động cơ

1CD

2CL

4R

RD

CĐC2

CĐC1

9 10

11 12

6R

RA RTh

RTh 10R

CKĐ

7R

8R

3CL

CB

BD

RD

(1-2) + (3-4) : Nâng N (5-6) + (7-8) : Tự động (9-10)+(11-12) : Hạ H

VỊ TRÍ TAY GẠT

1CD

2CL

4R

RD

CĐC2

CĐC1

9 10

11 12

6R

RA RTh

RTh 10R

CKĐ

7R

8R

3CL

CB

BD

RD

(1-2) + (3-4) : Nâng N (5-6) + (7-8) : Tự động (9-10)+(11-12) : Hạ H

VỊ TRÍ TAY GẠT

Hình 3-4 Sơ đồ dịch cực cho một pha lò hồ quang

Lò hồ quang được trang bị bốn hệ truyền động như nhau, trong đó ba hệ

dùng để truyền đông ba điện cực, hệ còn lại ở chế độ dự phòng

Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động được biểu diễn trên hình 3-4

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Đ truyền động nâng hạ điện cực

thông qua cơ cấu truyền lực dùng bánh răng - thanh răng được cấp nguồn từ

máy điện khuếch đại từ trường ngang MĐKĐ

MĐKĐ có ba cuộn kích thích:

- Cuộn chủ đạo CĐC1ở chế độ tự động và CĐC2 ở chế độ bằng tay

- Cuộn phản hồi âm điện áp CFA

Ở chế độ tự động: cầu dao 1CD hở, 2CD đóng và tay gạt 5-6 và 7-8 đóng

Điện áp ra ở chỉnh lưu tỉ lệ với dòng điện hồ quang đặt lên chiết áp 3R Điện

áp ra của cầu chỉnh lưu 2CL tỉ lệ với điện áp hồ quang đặt lên chiết áp 4R

Điện áp đặt lên cuộn kích thích CĐ1 bằng:

Khi điện áp chưa chạm vào phôi liệu, dòng điện hồ quang (Ihq) bằng

không, điện áp hồ quang là trị số cực đại Uhqmax Điện áp đặt lên cuộn CĐC1

bằng:

Sức từ động sinh ra trong cuộn CĐC1 có chiều để MĐKĐ phát ra điện áp

có cực tính để động cơ Đ quay theo chiều hạ điện cực đi xuống với tốc độ

chậm vì lúc này dòng hồ quang bằng không nên rơle dòng RD chưa tác

động, điện trở 5R nối tiếp với cuộn CĐC1, mặt khác điột 3CL thông làm

ngắn mạch điện trở 7R nên dòng trong cuộn phản hồi âm điện áp CFA tăng

lên

Sức từ động tổng trong các cuộn kích thích là:

sẽ giảm xuống, kết quả là điện cực được hạ xuống chậm

Khi điện cực chạm vào phôi liệu (hiện tượng ngắn mạch làm việc), dòng

hồ quang có trị số cực đại (Ihq = Inm), còn điện áp hồ quang bằng không

(Uhq = 0) Mặt khác rơ le dòng RD tác động nên điện trở 5R bị ngắn mạch,

điện áp đặt trên cuộn CĐC1 bằng điện áp đặt lên điện trở R3

Sức từ đông do cuộn dây CĐC1 đảo chiều, máy điện khuếch đại phát ra

điẹn áp có cực tính ngược lại, làm cho đông cơ đảo chiều quay kéo điện cực

lên nhanh Trong chế độ nâng, điôt 3CL khoá, điện trở 7R được nối tiếp với

cuộn CFA làm giảm sức từ động FA; đồng thời điôt 4CL thông nên rơle điện

áp RA tác động làm cuộn dây rơle thời gian mất điện Sau thời gian mở

chậm, tiếp điểm RTh mở ra đưa điện trở 10R vào nối tiếp với cuộn kích

thích CKĐ của động cơ làm giảm từ thông để tăng tốc động cơ trên tốc độ

cơ bản Kết quả là sức từ động tổng trong các cuộn kích từ tăng lên để điện

cực được kéo lên nhanh khỏi phôi liệu và sau thời gian chỉnh định (đủ để cho điện áp MĐKĐ đạt đến định mức) từ thông động cơ giảm để tốc độ tăng trên tốc độ cơ bản

Khi điện cực nâng khỏi phôi liệu, ngọn lửa hồ quang xuất hiện, quá trình mồi hồ quang hoàn tất Trong quá trình điện cực di chuyển theo chiều đi lên, dòng điện hồ quang giảm, điện áp hồ quang tăng lên Hiệu điện áp lấy trên chiết áp 3R và 4R giảm dần, sức từ động giảm, điện áp phát ra của máy điên khuếch đại giảm dần và động cơ nâng điện cực chậm dần Khi điện áp máy phát của máy điện khuếch đại nhỏ hơn ngưỡng tác động của RA, RA không tác động nên RTh có điện để ngắn mạch điện trở 10R làm tăng dòng của cuộn CKĐ đến giá trị định mức, tốc độ động cơ lại càng giảm đến thời điểm thời điểm khi điện áp trên 3R và 4R cân bằng về trị số, điện áp trên cuộn CĐC1 bằng không, điện áp phát ra của máy điện khuếch đại bằng không động cơ ngừng quay, ngọn lửa hồ quang cháy ổn định Trong quá trình nấu luyện, do sự bắn phá của các điện tử lên bề mặt điện cực, làm cho điện cực

bị mòn dần, hệ truyền động sẽ tự động hạ điện cực theo chiều đi xuống để duy trì độ dài cung lửa hồ quang không đổi, duy trì tỷ số:

const I

U

hq

Ở chế độ khống chế bằng tay, cầu dao 1CD đóng, 2CD mở, tay gạt 1-2 và 3-4 đóng (để nâng điện cực) hoặc 9-10 và 11-12 đóng (để hạ điện cực), cuộn CĐC2 có điện, chức năng tương tự như cuộn CĐC1 ở chế độ tự động

3 Sơ đồ dịch cực lò hồ quang dùng Thyristor

Bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang dùng Thyristor có thể làm việc với lò dung lượng 200T, động cơ dịch cực có công suất 11kW Tốc độ dịch cực tối

đa 5m/ph khi dùng thanh răng và 1,5m/ph khi dùng tời

+ Mạch lực

- Động cơ một chiều kích từ độc lập Đ truyền động dịch chuyển điện cực thông qua cơ cấu truyền động thanh răng - bánh răng được cấp nguồn từ bộ biến đổi dùng thyristor

- Bộ biến đổi là hai bộ chỉnh lưu hình tia ba pha nối song song ngược: 1T, 3T, 5T và 2T, 4T, 6T

- Biến áp động lực 2BA có chức năng phối hợp điện áp giữa lưới điện và động cơ điện, đồng thời hạn chế dòng điện ngắn mạch và hạn chế tốc độ tăng dòng anot để bảo vệ các thyristor

- Cuộn kháng cân bằng CKCB1 và CKCB2 hạn chế dòng cân bằng

- Trị số tốc độ và chiều quay của động cơ phụ thuộc vào điện áp ra của bộ biến đổi Trị số này phụ thuộc vào góc mở α của các thyristor