đồ án ký thuật điện điện tử Thiết kế hệ thống truyền Động nâng hạ điện cực lò hồ quan

Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Lời nói đầu
Công nghiệp luyện kim là một ngành quan trọng trong công nghiệp nặng của
một quốc gia. Là ngành tạo ra nguyên liệu cho cơ khí chế tạo, vật liệu xây dùng
v.v.
Việc cung cấp, trang bị trang bị điện cho ngành luyện kim luôn là một vấn đề
lớn. Các trang thiết bị luyện kim càng hiện đại thì chất lượng sản phẩm càng cao,
đáp ứng được nhu cầu cho các ngành sản xuất khác về chất lượng nguyên liệu.
Trong tiến trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước, tự động hoá các dây
truyền sản xuất đang là một trong những mục tiêu hàng đầu .Nó cho phép nâng
cao năng suất, chất lượng, giảm giá thành sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện
làm việc cho người lao động.
Trong quá trình thực tập và tìm hiểu các trang thiết bị luyện kim của công ty
gang thép em thấy lò hồ quang là một đối tượng phù hợp với khả năng của mình.
Vì vậy sau khi được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn em được giao nhiệm vụ
nghiên cứu đề tài tốt nghiệp về lò hồ quang.
Bản đồ án này được hoàn thành với sự hướng dẫn của thầy giáo
NGUYỄN NHƯ HIỂN và các thày cô giáo trong Bộ môn tự động hoá - Trường đại
học kỹ thuật công nghiệp và các bạn bè đồng nghiệp.
Do hạn chế về thời gian , thiếu kinh nghiệm thực tế và trình độ hiểu biết có
hạn nên trong đề tài của em không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em rất
mong được sự chỉ bảo góp ý thêm để có thể hiểu được sâu về đề tài này. Em xin
chân thành cảm ơn.

Sinh viên thiết kế

Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK : Đào quang
minh
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
Đào quang Minh

Phần I
Những vấn đề chung về lò hồ quang
A - KHÁI NIỆM CHUNG.
I- Khái niệm.
Lò hồ quang (HQ) là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa HQ giữa các điện cực
hoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại. Lò điện HQ dùng để nấu
thép hợp kim chất lượng cao.
II - PHÂN LOẠI.
Theo dòng điện sử dụng, lò HQ được chia thành:
- Lò HQ một chiều;
- Lò HQ xoay chiều.
Theo cách cháy của ngọn lửa HQ, lò HQ chia ra:
- Lò nung nóng gián tiếp: nhiệt của ngọn lửa xảy ra giữa 2 điện cực
(graphit, than) được dùng để nấu chảy kim loại (hình 1-1a).
- Lò nung nóng trực tiếp: nhiệt của ngọn lửa HQ xẩy ra giữa điện cực và
kim loại dùng để nấu chảy kim loại (hình 1-1b).
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
2
1
2
4
3
1
2
3
4
H×nh1-1a

H×nh1-1b
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
Nguyên lý làm việc của lò HQ.
1.Điện cực
2.Ngọn lửa lò HQ
3.Vật gia công nhiệt(lim loại)
4.Tường lò
Phương pháp HQ điện dựa vào ngọn lửa HQ điện. HQ điện là một trong
những hiện tượng phóng điện qua chất khí.
Bình thường thì không khí dẫn điện, nhưng nếu ion hoá chất khí và dưới tác
dụng của điện trường thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai cực tiếp cận vào nhau thì giữa
chúng xuất hiện ngọn lửa HQ. Người ta dùng nhiệt năng của ngọn lửa HQ để gia
nhiệt cho vật nung nóng hoặc nấu chảy.
Theo đặc điểm chất liệu vào lò, lò HQ được phân thành:
- Lò chất liệu (liệu rắn, kim loại vụn) bên sườn bằng phương pháp thủ công
hay máy móc (máy chất liệu, máy trục có máng) qua cửa lò.
- Lò chất liệu trên đỉnh lò xuống nhờ gầu chất liệu. Loại lò này có cơ cấu
nâng vòm nóc .
III – CƠ CẤU LÒ HỒ QUANG .
Về kết cấu, một lò HQ bất kỳ có các bộ phận chính:
a- Nồi lò có lớp vỏ cách nhiệt và có cửa lò và miệng rót.
b- Vòm nóc lò có vỏ cách nhiệt.
c- Cơ cấu giữ và dịch chuyển điện cực, truyền động bằng điện hay thuỷ
lực.
d- Cơ cấu nghiêng lò, truyền động bằng điện hay thuỷ lực.
e- Phần dẫn điện từ biến áp lò tới lò.
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
3
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Ngoài ra, đối với lò HQ nạp liệu từ trên cao, còn có cơ cấu nâng, quay vòm
lò, cơ cấu rót kim loại cũng như gầu nạp liệu.
Trong các lò HQ có nồi lò sâu, kim loại lỏng ở trạng thái tĩnh có chênh lệch
nhiệt độ theo độ cao (khoảng 100
o
C/m). Trong điều kiện đó, để tăng cường phản
ứng của kim loại (với xỉ) và để đảm bảo khả năng nung nóng kim loại trước khi
rót, cần phải khuấy trộn kim loại lỏng. Ở các lò dung lượng nhỏ (dưới 6T) thì
việc khuấy trộn thực hiện bằng tay qua cơ cấu cơ khí. Với lò dung lượng trung
bình (12 ÷ 50T) và đặc biệt lớn (100T) và hơn) thì thực hiện bảng thiết bị khuấy
trộn để không những giảm lao động vất vả của thợ nấu mà còn nâng cao được
chất lượng của kim loại nấu.
Thiết bị khuấy trộn kim loại lỏng thường là thiết bị điện từ có nguyên lý
làm việc tương tự động cơ không đồng bộ rotor ngắn mạch. Từ trường chạy tạo ra
ở lò có đáy phi kim loại nhờ hai cuộn dây (stator) dòng xoay chiều tần số 0,5 ÷
1,0Hz lệch pha nhau 90
o
. Do từ trường này mà kim loại có lực điện từ dọc trục lò.
Khi đổi nối dòng trong các cuộn dây, có thể thay đổi hướng chuyển động của
kim loại trong nối theo hướng ngược lại.
IV- CÁC THỐNG SỐ QUAN TRỌNG CỦA LÒ HỒ QUANG
- Dung lượng định mức của lò: Số tấn kim loại lỏng trong một mẻ nấu.
- Công suất định mức của biến áp lò: ảnh hưởng quyết định tới thời gian
nấu luyện, nghĩa là tới năng suất lò.
Theo mức độ công suất tác dụng của biÕn áp trong giai đoạn nấu chảy đối
với 1T kim loại lỏng, lò HQ còn chia ra: lò có công suất bình thường, cao và siêu
cao.
Cuối cùng, về cấu trúc, lò HQ công suất cao và siêu cao còn có hệ làm mát
bằng nước qua vỏ lò.
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang

minh
4
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
B MẠCH ĐIỆN CUNG CẤP CHO LÒ HỒ QUANG
Hình 1-2
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
5
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
Điện cấp cho lò là HQ lấy từ trạm biến áp lò. Điện áp vào là 6, 10, 35
hay 110 KV là tuỳ theo công suất lò. (Hình 1-2)
Sơ đồ các thiết bị chính sau: Cầu dao cách li CL dùng phân cách mạch
động lực của lò với lưới khi cần thiết, chẳng hạn lúc sửa chữa. Máy cắt 1MC
dùng để bảo vệ lò HQ khỏi ngắn mạch sự cố. Nó được chỉnh định để không tác
động khi ngắn mạch làm việc. Máy cắt 1MC cũng dùng để đóng và cắt mạch lực
dưới tải. Cuộn kháng K dùng hạn chế dòng điện khi ngắn mạch làm việc và ổn
định sự cháy của HQ. Khi bắt đầu nấu luyện hay xẩy ra ngắn mạch làm việc. Lúc
ngắn mạch làm việc, máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng K tham gia vào mạch,
hạn chế dòng ngắn mạch. Khi liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệt lớn để nấu
luyện, 2 MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng K. Ở giai đoạn hoàn nguyên,
công suất lò yêu cầu Ýt hơn thì 2MC lại mở ra để đưa cuộn kháng K vào mạch,
làm giảm công suất cấp cho lò. Với những lò HQ công suất lớn hơn nhiều thì
không có cuộn kháng K. Việc ổn định HQ và hạn chế dòng ngắn mạch làm việc
do các phần tử cảm kháng của sơ đồ lò đảm nhiệm.
Biến áp lò BAL dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp. Việc đổi nối cuộn sơ
cấp thành hình ∆ hay hình thực hiện nhờ các máy cắt 3MC, 4MC. Cuộn thứ cấp
của BAL nối với các điện cực của lò qua một mạch ngắn “MN” không phân
nhánh không có mối hàn.
Phía sơ cấp BAL có đặt rơle dòng điện cực đại để tác động lên cuộn ngắt
máy cắt 1MC. Rơle này có duy trì thời gian. Thời gian duy trì này giảm khi bội số

quá tải dòng tăng. Nhờ vậy, 1MC ngắt mạch lực của lò HQ chỉ khi có ngắn mạch
sự cố và khi ngắn mạch làm việc kéo dài mà không xử lý được. Với ngắn mạch
làm việc trong một thời gian tương đối ngắn, 1MC không cắt mạch mà chỉ có tín
hiệu đèn và chuông. Phía sơ cấp BAL còn có các dụng cụ đo lường, kiểm tra
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
6
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
như: Vonkế ampe kế, công tơ điện, pha kế v.v Phía thứ cấp cũng có các máy
biến dòng 2TI nối với các ampe kế đo dòng hồ quang, cuộn dòng điện của bộ điều
chỉnh tự động và rơle dòng điện cực đại. Dòng tác động và thời gian duy trì của
rơle dòng được chọn sao cho khi có ngắn mạch thời gian ngắn, bộ điều chỉnh làm
giảm dòng điện của lò chỉ sau thời gian duy trì của rơle. Nhiều khí cụ điều khiển,
kiểm tra và bảo vệ khác (trong khối ĐKBV) cũng được nối với máy biến áp điện
TU và các máy biến dòng 1TI, 2TI.
1- Máy biến áp lò BAL
-Máy BAL dùng cho lò HQ phải làm việc trong các điều kiện đặc biệt nặng
nề nên có các đặc điểm sau:
- Công suất thường rất lớn (có thể tới hàng chục MW) và dòng điện thứ cấp
rất lớn (tới hàng trăm kA),
- Điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới 2,5 ÷ 4) I
đm
,
- Có độ bền cơ học cao để chịu được các lực điện từ phát sinh trong các
cuộn dây, thanh dẫn khi có ngắn mạch.
- Có khả năng điều chỉnh điện áp sơ cấp dưới tải trong một giới hạn rộng.
- Phải làm mát tốt vì dòng lớn, hay có ngắn mạch và vì biến áp đặt ở nơi
kín lại gần lò.
Công suất BAL có thể xác định gần đúng từ điều kiện nhiệt trong giai
đoạn nấu chảy vì ở các giai đoạn khác lò đòi hỏi công suất tiêu thụ Ýt hơn.

Nếu coi rằng, trong giai đoạn nấu chảy, tổn thất năng lượng trong lò HQ,
trong BAL và cuộn kháng L được bù trừ bởi năng lượng của phản ứng toả nhiệt
thì công suất BAL có thể xác định bởi biểu thức:
W
S
BAL
=  . [k VA]
t
nc
k
sd
cosϕ
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
7
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
Trong đó: t
nc
- Thời gian nấu chảy (trừ lúc dừng lò) (h);
k
sd
- Hệ số sử dụng công suất BAL trong giai đoạn nấu chảy;
Cosϕ - Hệ số công suất của thiết bị lò HQ;
W - Năng lượng hữu Ých và tổn hao nhiệt trong thời gian nấu chảy
và dừng lò giữa hai mẻ nấu (kW-h).
W = w. G
Trong đó: G- khối lượng kim loại nấu, (T);
w- suất chi phí điện năng để nấu chảy, (kWh/T).
Suất chi phí điện năng giảm đối với lò có dung lượng lớn.
Thường W = (400 ÷ 600 ), kW-h/T.

Thời gian nấu chảy được tính từ lúc cho lò làm việc sau khi chất liệu đến khi
kết thúc việc nấu chảy. Thường thì thời gian này từ 1÷3h tuỳ dung lượng lò.
Hệ số sử dụng công suất BAL thường là 0,8 ÷ 0,9 gây ra do sử dụng không
đầy đủ công suất BAL, do biến động các thông số của lò, do hệ tự động điều
chỉnh không hoàn hảo, do không đối xứng giữa 3 pha v.v
Hiện nay, công suất BAL ngày càng có xu hướng tăng vì nó cho phép giảm
thời gian nấu chảy, giảm suất chi phí năng lượng do hạ tổn hao nhiệt.
Cuộn thứ cấp BAL thường nối ∆ vì dòng ngắn mạch được phân ra hai pha
và như vậy đièu kiện làm việc của các cuộn dây sẽ nhẹ hơn. Máy BAL thường
phải làm việc trong tình trạng ngắn mạch và phải có khả năng quá tải nên thường
chế tạo to, nặng hơn các máy biến áp động lực cùng công suất.
Mạch ngắn (MN).
2- Mạch ngắn :hay dây dẫn dòng thứ cấp có dòng điện làm việc rất lớn, tới
hàng chục và ngay cả hàng trăm nghìn Ampe.Tổn hao công suất ở mạch ngắn
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
8
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
∆P
mn
= I
2
mn
r
mn

đạt tới 70% toàn bộ tổn hao trong toàn bộ thiết bị lò HQ. Do vậy, yêu cầu cơ
bản của mạch ngắn là phải ngắn nhất trong điều kiện có thể (biến áp lò phải đạt
rất gần lò) để giảm bớt tổn hao, đồng thời được phép từ các tấm đồng lá thành các
thanh mềm để có thể uốn dẻo lên xuống theo các điện cực. Ngoài ra, mạch ngắn

còn phải đảm bảo sự cân bằng r
mn
và x
mn
giữa các pha để có các thông số điện
(công suất, điện áp, dòng) như nhau của các HQ. Khi 3 pha mạch ngắn phân bố
đối xứng thì hỗ cảm giữa 2 pha bất kỳ sẽ bằng nhau và s.đ.đ hỗ cảm bằng 0.
Trường hợp nếu khoảng cách giữa các pha không như nhau, hỗ cảm giữa các pha
sẽ khác nhau. Trong mét pha nào đó sẽ xuất hiện s.đ.đ phụ ngược chiều dòng điện
trong pha đó và tạo ra một sụt pháp phụ trên điện trở thuần pha đó. Kết quả là pha
này như thể tăng điện trở tác dụng, gây ra một tổn hao công suất phụ và công suất
HQ của pha này sẽ giảm so với pha khác. Đồng thời, ở một pha khác, s.đ.đ. phụ
lại cùng chiều với dòng điện của pha, điện trở tác dụng như bị giảm và công suất
HQ pha này tăng lên. Hiện tượng trên gây ra sự mất đối xứng về điện áp giữa các
HQ, sự phân bố công suất không đồng đều giữa các pha, giảm hiệu suất lò và với
lò công suất càng lớn thì sự mất đối xứng điện từ ở mạch ngắn sẽ càng lớn.
Chống hiện tượng trên bằng cách phân bố đối xứng về mặt hình học và về
mặt điện từ của mạch ngắn và các điện cực đặt ở 3 đỉnh một tam giác đều.
Với lò dung lượng dưới 10T thì mạch ngắn thường được nối theo sơ đồ ∆. Thiếu
sót của cách này là sự không đối xứng của các dây dẫn chuyển dòng tới các điện
cực không được bù trừ. Với các lò dung lượng lớn, mạch ngắn thường được nối ∆
ở các điện cực.
Hai bên mối cần giữ điện cực có đạt 2 dây dẫn dòng pha cách điện nhau.
Ở sơ đồ này thì 2 pha có các dây dẫn dòng từ đấu đầu và đấu cuối tới 2 điện cực
kề sát nhau, tạo ra hệ 2 dây, còn pha thứ 3 dẫn dòng tới 2 cần giữ ngoài cùng sẽ
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
9
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
không có tính chất của hệ 2 dây. Tính không đối xứng của mạch ngắn đã giảm

nhiều nhưng chưa hoàn toàn. Người ta thực hiện dẫn dòng hệ 2 dây cho cả 3 pha
nhờ thêm cần phụ, mang dây đấu cuối pha 3 tới điện cực 1 vòng qua điện cực 3.
Cần đỡ phụ và cần đỡ điện cực 1 được dịch chuyển đồng bộ với nhau qua liên kết
cơ học. Cách này giảm tính không đối xứng của mạch ngắn xuống đến mức tối
thiểu (Tham khảo sách Trang bị điện).
I. - ĐẶC ĐIỂM VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LÒ HỒ QUANG
Chu trình làm việc của lò HQ gồm 3 giai đoạn với các đặc điểm công nghệ
sau:
1- Giai đoạn nung nóng liệu và nấu chảy kim loại.
Trong giai doạn 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 50 ÷
60% toàn bộ thời gian mét chu trình.
Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa HQ cần phải cháy ổn định. Khi
cháy, điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên. Để
duy trì HQ, điện cực phải được 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 xẩy ra trong thời gian ngắn nhưng lại
hay xảy ra nên các thiết bị điện trong mạch động lực thường phải làm việc ở điều
kiện nặng nề . Đây là đặc điểm nổi bật cần lưu ý khi tính toán và chọn thiết bị cho
lò HQ.
Ngắn mạch làm việc cũng có thể gây ra do sụt lở các thành của hố bao
quanh đầu điện cực tạo ra ở trọng liệu. Rồi sự nóng chảy của các mẩu liệu cũng
có thể phá huỷ ngọn lửa HQ do tăng chiều dài ngọn lửa. Lúc đó phải tiến hành
mồi lại bằng cách hạ điện cực xuống cho chạm kim loại rồi nâng lên, tạo HQ.
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
10
Thuyt minh ỏn tt nghip
Trong giai on ny s ln ngn mch lm vic cú th ti 100 hoc hn. Mi
ln xy ra ngn mch lm vic, cụng sut hu ích gim mnh v cú khi bng 0

vi tn hao cc i. Thi gian cho phộp ca mt ln ngn mch lm vic l 2 ữ
3s.
Túm li giai on nu chy l giai on HQ chỏy kộm n nh nht, cụng
sut nhit ca HQ dao ng mnh v ngn la HQ rt ngn, thng t vi mm
n 10 ữ 15mm.
2. Giai on ụxy hoỏ v hon nguyờn.
õy l giai on kh C ca kim loi n mt gii hn nht nh tu theo
yờu cu cụng ngh, kh P v S, kh khớ trong gang ri tinh luyn. S chỏy hon
ton cỏcbon gõy sụi mnh kim loi. giai on ny, cụng sut nhit yờu cu v
c bn l bự li cỏc tn hao nhit v nú bng khong 60 % cụng sut nhit ca
giai on 1. H quang cng cn duy trỡ n nh.

Hỡnh 1-3: th cụng sut hu cụng tiờu th lũ HQ 100T
Trc khi thộp ra lũ phi qua giai on hon nguyờn l giai on kh ụxy,
kh sunfua v hp kim hoỏ kim loi. Cụng sut yờu cu lỳc ny ch c 30% so
vi giai on 1. Ch nng lng tng i n nh v chiu di ngn la HQ
khong vi chc milimột.
i hc cụng nghip thỏi nguyờn SVTK: o quang
minh
11
P(MW)
Nấu chảy
Ô xi hoá
Hoàn nguyên
Tu sửa vệ sinh
t(h)
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
3- Giai đoạn phụ.
Đây là giai đoạn lấy sản phẩm đã nấu luyện, tu sửa, làm vệ sinh và chất liệu
vào lò.

Hình 1- 3 là một ví dụ về tiêu thụ công suất hữu công của một lò HQ
nấu thép dung lượng 100T trong các giai đoạn nấu luyện.

C - YÊU CẦU VỀ TRANG BỊ ĐIỆN CHO LÒ HỒ QUANG
I-KHÁI QUÁT
Các lò HQ nấu luyện kim loại đều có các bộ điều chỉnh tự động việc dịch
điện cực vì nó cho phép giảm thời gian nấu luyện, nâng cao năng suất lò, giảm
suất chi phí năng lượng, giảm thấm các bon cho kim loại, nâng cao chất lượng
thép, giảm dao động công suất khi nấu chảy, cải thiện điều kiện lao động, v.v
Chất lượng thép nấu luyện phụ thuộc vào công suất cấp và sự phân bố nhiệt
hay nhiệt độ trong nồi lò
II-YÊU CẦU ĐIỀU CHỈNH CHO MỘT BỘ CÔNG SUẤT LÒ
Điều chỉnh công suất lò HQ 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 HQ
và như vậy sẽ thay đổi được điện áp HQ, dòng điện HQ và công suất tác dụng của
HQ.
Về nguyên tắc, việc duy trì công suất lò HQ có thể thông qua việc duy trì
một trong các thông số sau:
Dòng điện hồ quang I
hq
, điện áp hồ quang U
hq
, tỷ số giữa điện áp và dòng
điện hồ quang, tức là tổng trở:
U
hq
Z
hq
= 
I

hq
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
12
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
Bộ điều chỉnh duy trì dòng HQ không đổi (I
hq
= const) sẽ không mồi HQ tự
động được. Ngoài ra, khi dòng điện trong mét pha nào đó thay đổi sẽ kéo theo
dòng điện trong 2 pha còn lại thay đổi. Ví dụ, khi HQ trong mét pha bị đứt thì lò
HQ làm việc như phụ tải một pha với 2 pha còn lại nối tiếp vào điện áp dây. Lúc
đó các bộ điều chỉnh 2 pha còn lại sẽ tiến hành hạ điện cực mặc dù không cần
việc đó. Các bộ điều chỉnh loại này chỉ dùng cho lò HQ mét pha và chủ yếu dùng
trong lò HQ chân không.
Bộ điều chỉnh duy trì điện áp HQ không đổi (U
hq
= const) có khó khăn trong
việc đo thông số này. Thực tế, cuộn dây đo được nối giữa thân kim loại cửa lò và
thanh cái thứ cấp BAL. Do vậy, điện áp đo được phụ thuộc dòng tải và sự thay
đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới 2 pha còn lại như đã trình bày đối với bộ
điều chỉnh giữ I
hq
= const
Phương pháp tốt nhất là dùng bộ điều chỉnh duy trì

==
hq
hq
hq
I

U
Z
const
thông qua hiệu số các tín hiệu dòng và áp:
aI
hq
- bU
hq
= bI
hq
(Z
ohq
- Z
hq
)
Trong đó: a, b - hệ số phụ thuộc hệ số các biến áp đo lường (biến dòng, biến
điện áp) và điện trở điều chỉnh trên mạch (thay đổi bằng tay khi chỉnh định).
Z
ohq
, Z
hq
- giá trị đặt và giá trị thực của tổng trởHQ.
Từ (7-3) suy ra:
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
13
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
aI
hq
- bU

hq

 = Z
ohq
- Z
hq
= ∆ Z
hq

bI
hq
Như vậy, việc điều chỉnh thực hiện theo chế độ lệch của tổng trở HQ so với
giá trị đặt (điều chỉnh vi sai). Phương pháp này dễ mồi HQ, duy trì được công
suất, Ýt chịu ảnh hưởng của dao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn
nhau giữa các pha.
Mỗi giai đoạn làm việc của lò HQ (nấu chảy, ôxy hoá, hoàn nguyên) đòi
hỏi một công suất nhất định, mà công suất này lại phụ thuộc chiều dài ngọn lửa
HQ. Như vậy, điều chỉnh dịch điện cực là điều chỉnh chiều dài ngọn lửa HQ do
đó điều chỉnh được công suất lò HQ. Đó là nhiệm vụ cơ bản của các bộ điều
chỉnh tự động các lò HQ.
II.CÁC YÊU CẦU CHÍNH ĐỀ RA CHO MỘT BỘ ĐIỀU CHỈNH
CÔNG SUẤT LÒ HQ 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 giai doạn nấu chảy và ± (2 ÷ 4)% trong
giai đoạn nấu chảy và ± (2 ÷ 4)% trong các giai đoạn khác.
2. Tác động nhanh, đảm bảo khử mạch hay đứt HQ trong thời gian 1,5 ÷ 3,0s.
Điều đó sẽ làm giảm số lần ngắt máy cắt chính, giảm sự thấm C của kim loại
v.v Các lò HQ 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 ÷ 3m/ph

trong giai đoạn nấu chảy (khi dùng truyền động điện cơ) và 5 ÷ 6m/ph (khi truyền
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
14
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
động thuỷ lực). Dòng điện HQ càng lệch xa trị số đặt thì tốc độ dịch cực càng
phải nhanh.
3- Thời gian 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 (vài phần giây) 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 HQ
của một pha nào đó bị phá huỷ sẽ dẫn theo phá huỷ chế độ HQ của các 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 bằng phẳng trong giới hạn 20÷ 125% trị số định mức
với sai số không quá 5%.
6- Có thể chuyển đổi 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 HQ khi bắt đầu làm việc và sau khi HQ bị đứt. Khi
ngắn mạch thì việc nâng điện cực lên không làm đứt HQ.
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 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 rôtor nhỏ.
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang

minh
15
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

PHẦN 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
A. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐỘNG LỰC
I. CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH LỰC
1, lựa chọn phương án điều khiển bộ biến đổi
Do yêu cầu của hệ thống truyền động là có đảo chiều vì vậy trong mạch
động lực ta sử dụng 2 bộ biến đổi măc song song ngươc . Và để điều khiển 2 bộ
chỉnh lưu này người ta sử dụng 1 số phương án sau :
Để điều khiển hai bộ biến đổi làm việc song song ngược có hai phương
pháp:
- Điều khiển độc lập (điều khiển riêng).
- Điều khiển phối hợp (điều khiển chung).
Ta đi xét riêng từng phương pháp một.
a. ĐiÒu khiển độc lập:
Ở phương pháp này hai bộ biến đổi làm việc độc lập với nhau. Khi phát cho
BBĐ thuận làm việc thì BBĐ ngược không được phát xung sẽ khoá lại và ngược
lại. Phương pháp này có ưu điểm là không phát sinh dòng cân bằng song nhược
điểm của nó là thời gian đảo chiều lớn, vì để đảm bảo cho sơ đồ làm việc an toàn
thì yêu cầu phải có thời gian ngừng dòng để cho các van của bộ biến đổi làm việc
ở giai đoạn trước phục hồi lại tính chất điều khiển.
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
16
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
Tuy nhiên có thể tăng độ tác động nhanh của hệ thống bằng cách giảm thời
gian ngừng dòng xuống cực tiểu nhờ những mạch kiểm tra tác động nhanh.
b. Điều khiển phối hợp:

Ở phương pháp này lại gồm có:
- Điều khiển phối hợp tuyến tính.
- Điều khiển phối hợp phi tuyến.
*. Điều khiển phối hợp tuyến tính:
Ở phương pháp này người ta đồng thời phát xung đến mở cho cả hai BBĐ,
với quan hệ góc mở: α
1
+ α
2
= 180
0
. Khi hệ thống làm việc luôn tồn tại một
BBĐ làm việc ở chế độ chỉnh lưu (α < 90
0
) và một BBĐ làm việc ở chế độ
nghịch lưu (α > 90
0
).
Phương pháp này có ưu điÓm là đảo chiều nhanh, quan hệ giữa điện áp ra
trung bình và U
đk
là đơn trị. Song nhược điểm của nó là làm phát sinh dòng cân
bằng gây tổn thất trong BBĐ dẫn đến phải tăng công suất tính toán của các phần
tử.
*. Điều khiển phối hợp phi tuyến:
Ở phương pháp này người ta cho hai BBĐ làm viện với quan hệ góc mở:
α
1
+ α
2

= 180
0
+ 2θ.
Ưu điểm của phương pháp này là giảm được dòng cân bằng. Song nhược
điểm của nó là tạo ra một khoảng mà với cùng một điện áp điều khiển sẽ có hai
giá trị điện áp ra khác nhau, thời gian ngừng dòng khi đảo chiều lớn, làm xấu các
chỉ tiêu chất lượng động khi tải có sức điện động hoặc có điện cảm lớn.
c. Kết luận:
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
17
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
Qua những phân tích và nhận xét trên đây ta thấy phương pháp điều khiển
riêng có nhiều ưu điểm hơn. Vì vậy ta chọn phương pháp này để điều khiển hai
BBĐ.
2. Sơ đồ chỉnh lưu
Vì ta lựa chọn phương pháp điều khiển riêng cho 2 bộ biến đổi tức là khi
bộ thuận làm việc thì bộ ngược nghỉ hoàn toàn và ngược lại do đó ta chỉ phân
tích nguyên lý làm việc của 1 bộ thuận còn bộ kia tương tự .
a , sơ đồ nguyên lý
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
18
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
b, chức năng các phần tử trên sơ đồ
- áptomá(AB) dùng đống cắt mạch động lực có tác dụng bảo vệ quá tải,
ngắn mạch.
- Biến dòng T
i
dùng biến đổi dòng điện qua sơ đồ chỉnh lưu thành điện áp

(βI
đc
) đưa tới mạch bảo vệ quá dòng điện và cùng điện áp phản hồi tốc độ(γn) để
ổn định tốc độ độnh cơ.
- Động cơ M là động cơ một chiều kích từ độc lậpdùng nâng hạ điện cực lò
HQ.
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
19
ba
β
It
x®k
x®k
β
Ing
m¹ch ®k
th vµ k®
x®k
®
wr
h
t
t
t
t
t
Ft
r
k

k
t
ck
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
- CK là cuộnn kháng có tác dụng hạn chế dòng ngắn mạch, tốc độ tăng dòng
qua anốt của các van đồng thời hạn chế sự ảnh hưởng của lưới điện tới hệ thống.
- Bộ chỉnh lưu điện áp có đảo chiều gồm hai bộ chỉnh lưu tia 3 pha (T
1
÷ T
3
)
và (T
4
÷ T
6
) đấu song song ngược có tác dụng biến điện áp xoay chiều thành điện
áp một chiều điều khiển được và có đảo chiều.
Do thyristor rất nhậy với điện áp quá lớn so với điện áp định mức ( quá áp) dễ
gây nên phá hỏng thyristor. Nguyên nhân của hiện tượng quá điện áp thì có nhiều
loại, gồm cả nguyên nhân phát sinh mang tính ngẫu nhiênở bên ngoài và các
nguyên nhân do quá trình làm làm việccủa bộ biến đổi gây nên có thể không lặp
lại hoặc lặp lại theo chu kỳ.
Một nguyên nhân khác đáng chú ý là quá áp do quá trình chuyển mạch qua
các van.
Hiện tượng quá áp xuất hiên khi các van mở hay khoá.
Để hạn chế hiện tượng quá áp ta sử dụng mạch R – C mắc song song với các
van để bảo vệ van
Trong đó :
Các van chỉnh lưu T
1

÷ T
3
BBĐ điện áp xoay chiều 3pha bên thứ cấp
biến áp thành điện áp một chiều đặt lên phụ tải E
d
, L
d
, R
d

U
d
,i
d
là dòng điện điện áp trên tải.
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
20
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
c , giản đồ điẹn áp
Đại học công nghiệp thái nguyên SVTK: Đào quang
minh
21
u
ab
u
ac
u
d
u

c
u
b
u
a
i
d
V
3
V
2
do thi dong dien dien ap
bcl tia 3 pha
i
T3
? t
Ο
Ο
Ο
Ο
T2
i
V
1
Ο
T1
i
u
d
Π 2 Π

? t
? t
? t
V
4
? t
3 Π
4 Π
? t
? t
Ο
? t
i
A
i
B
I
C
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp bộ môn : tự động
hoá
d, nguyên lý làm việc
Giả thiết L
d
=∞ đồ thị điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp như hình vẽ, sơ
đồ làm việc xác lập trước khi xét ωt = 0. Ta giả thiết rằng trước thời điểm
ωt= √
1
thì trong sơ đồ đã có van T
3
đang dẫn dòng và các van T

1
, T
2
ở trạng
thái khoá. Tại ωt= √
1
(√
1
chậm sau thời gian mở tự nhiên 1 góc α ) T
1
có tín
hiệu điều khiển và được đặt điện áp thuận ( vì U
T1
= U
ac
) .

T
1
có đủ hai điều
kiện mở nên T
1
mở.
T1 mở ta có U
d
= U
a
; I
T1
= i

d
= I
d
;U
T1
= 0
U
T2
= U
b
– U
a
= U
ba
U
T3
= U
c
– U
a
= U
ca
I
T2
= I
T3
=0
Tại thời điểm này U
ba
< 0 và U

ca
< 0 do đó T
2
và T
3
bị khoá.
Tại ωt = √
2
thì T
2
có tín hiệu điều khiển và được đặt điện áp thuận khi
đó T
2
mở còn T
1
và T
3
đóng vì bị đặt điện áp ngược.
T
2
mở ta có I
T2
= I
d
=i
d
; U
d
= U
b

; U
T2
= 0
i
T1
= i
T3
= 0
U
T2
= U
a
– U
b
= U
ab
< 0
U
T3
= U
c
– U
b
= U
cb
< 0
Tại ωt = √
3
thì T
3

có tín hiệu điều khiển và được đặt điện áp thuận
nên T
3
mở , còn T
1
và T
2
đóng vì bị đặt điện áp ngược .
i
T3
= I
d
= i
d
; U
d
= U
c
; U
T3
= 0
i
T1
= i
T2
= 0
U
T1
= U
a

– U
c
= U
ac
< 0
U
T2
= U
b
– U
c
= U
bc
< 0
Tại ωt = √
4
thì có tín hiệu điều khiển được đặt điện áp thuận vào T
1
nên T
1
mở và làm việc tương tù ωt = √
1
.
Một số biểu thức:
* U
d0
=3
6
/2πU
2

= 1,17.U2
* U
d
= Ud
0
. cosα * I
Ttb
=1/3 I
d
Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp SV: Đào quang minh
3
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp bộ môn : tự động
hoá
* I
T
= I
d
/
3
* U
Tthmax
= U
Tngmax
=
6
. U
2
* Dòng điện hiệu dụng sơ cấp và thứ cấp máy biến áp
I
T1

= I
d
/ (
3
.K
ba
)

I
2
= I
T
= I
d
/
3


* Công suất của máy biến áp :

23.
.I2.π.π
.I3.US
dd
222
==

33.
.I2.π.π
.I3.US

dd
111
==

dddd
21
ttBA
.I1,355.U.I).U23.(
63.
π
2
SS
S
=+=
+
=

II . CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ.
1. Điều chỉnh từ thông.
Với động cơ 1 chiều khi dùng phương pháp điều chỉnh từ thông, thì điện
áp phần ứng được giữ nguyên bằng định mức do đó đặc tính thấp nhất trong
vùng điều chỉnh chính là đặc tính có U= Uđm và
Φ
=Φđm gọi là đặc tính cơ
bản tốc độ lớn nhất trong giải điÒu chỉnh từ thông Φ bị hạn chế bởi khả
năng chuyển mạch của cổ góp xấu đi do vậy để đảm bảo điều kiện chuyển
mạch bình thường thì ta cần phải giảm dòng I
ư
cho phép kết quả là M
cp

trên
trục động cơ giảm rất nhanh ngay cả khi giữ nguyên I
ư
thì khi giảm Φ, mô
men cũng giảm rất nhanh.
Giả thiết U
ư
= U
đm
= const
.
Điện trở phần ứng R
ư
= const khi thay đổi dòng kích từ I
kt
động cơ ta
có :
Tốc độ không tải : ω
0x
=
xK
Udm
Φ
Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp SV: Đào quang minh
4
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp bộ môn : tự động
hoá
Độ cứng đặc tính cơ :
Ru
xK

2
)(
Φ
−=
β
Ta thấy khi giảm từ thông thì
ω
0x
sẽ tăng , còn
β
sẽ giảm ,ta có họ đặc
tính khi giảm từ thông như sau :



ω
02

ω
01

ω
0
O Iđm

Nhìn vào đặc tính ta thấy khi giảm từ thông thì độ cứng đặc tính cơ
cũng giảm, làm mềm đặc tính cơ. Như vậy để thoả mãn điều kiện công nghệ
là Mc = const trong toàn bộ giải điều chỉnh thì động cơ cần chọn phải có
công suất lớn hơn công suất định mức D lần với D là khoảng điều chỉnh, với
máy bào giường D =40/1 do vậy công suất động cơ cần chọn lớn 40 lần so

với công suất định mức do vậy gây lãng phí.
2. Phương pháp điều chỉnh mạch phần ứng.
* Xuất phát từ phương trình:
E
b
R
b
- R
ưđ
ω = - I
ư
K Φ
đm
K Φ
đm
Ta thấy khi thay đổi E
b
thì tốc độ không tải lý tưởng thay đổi do Φđm
không đổi trong toàn bộ giải điều chỉnh nên M của động cơ cũng không đổi
và đặc tính cơ cũng không thay đổi độ cứng.
Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp SV: Đào quang minh
5
I
ω
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp bộ môn : tự động
hoá
M
ccp
= K . Φ
đm

. I
đm
Ta có họ đặc tính khi thay đổi điện áp phần ứng như sau:


ω

ω
0

ω
01
ω
02
Như vậy nhìn vào đặc tính ta thấy khi thay đổi điện áp phần ứng tốc
độ thay đổi mà không làm giảm đặc tính cơ phương pháp này tiết kiệm nhất
vì động cơ đã chọn phù hợp trong toàn giải điều chỉnh và bằng giá trị định
mức, điều này cho phép động cơ làm việc đầy tải ở mọi điểm của vùng điều
chỉnh.
Như vậy ta chọn phương án điều chỉnh điệp áp mạch phần ứng để thay
đổi tốc độ động cơ vì các ưu điểm mà ta đã nêu.
III. CHỌN PHƯƠNG PHÁP ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ.
. Hiện nay một phương pháp ổn định tốc độ đang được sử dụng rộng rãi
và cho kết quả rất tốt đó là phương pháp sử dụng máy phát tốc độ

Máy phát tốc được nối cứng trục với động cơ và quay với tỉ số tốc độ
định trước. Máy phát tốc sẽ phát ra điện áp, tín hiệu điện áp này được đưa
đến mạch phản hồi tốc độ tổng hợp cùng một điện áp chủ đạo để thay đổi
điện áp phần ứng động cơ giữ tốc độ ổn định.
Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp SV: Đào quang minh

6
I
ω
γn
FT