TỰ ĐỘNG HOÁ CHO hệ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG NÂNG hạ điện cực lò hồ QUANG

§å ¸n tèt nghiÖp

®å ¸n tèt nghiÖp

Tªn ®Ò tµi:

Tù ®éng ho¸ cho hÖ thèng truyÒn ®éng n©ng h¹ ®iÖn cùc
lß hå quang

1


Đồ án tốt nghiệp

Phần I
Giới thiệu công nghệ lò hồ quang và
đặc điểm yêu cầu của hệ thống truyền
động nâng hạ điện cực của lò
Đ1: Giới thiệu chung

I. Công dụng
Lò hồ quang (HQ) là một loại lò điện mà quá trình biến đổi điện năng
thành nhiệt năng thông qua ngọn lửa HQ xuất hiện giữa các điện cực với kim
loại được gia nhiệt.
Lò HQ được sử dụng chủ yếu để nấu chảy kim loại, thường được sử dụng
để nấu thép hợp kim chất lượng cao.
II. Phân loại
Có rất nhiều cách phân loại
* Phân loại theo dòng điện cấp cho lò
- Lò HQ một chiều
- Lò HQ xoay chiều:

+ Lò HQ 1 pha
+ Lò HQ 3 pha
ã Phân loại theo cách phát sinh và duy trì HQ.
- Lò HQ nung nóng trực tiếp: HQ phát sinh giữa điện cực và kim loại gia
nhiệt (Hình 1.1.a).
- Lò nung gián tiếp: HQ phát sinh giữa 2 điện cực (Hình 1.1.b).

2


Đồ án tốt nghiệp

1
2
2

3

1
3

4
H ìn h 1 .1 a : L ò n u n g n ó n g trự c tiế p

1 . Đ iệ n c ự c

4
H ìn h 1 .1 b : L ò n u n g n ó n g g iá n tiế p

2 . N g ọ n lử a H Q

3 . V ậ t g ia c ô n g n h iệ t
4 . T ư ờ n g lò

* Phân loại theo phương pháp nạp liệu vào lò:
- Lò nạp liệu ở sườn
- Lò nạp liệu ở đỉnh lò
Đ2. Các giai đoạn làm việc trong một
chu trình của lò HQ luyện thép
Với lò HQ luyện thép thường được thiết kế ở dạng lò HQ nung nóng trực
tiếp và một chu trình làm việc của lò có thể được chia thành 3 giai đoạn với mỗi
một số đặc điểm sau:
* Giai đoạn 1:
- Là giai đoạn nung nóng liệu và nấu chảy kim loại. Đây là giai đoạn thực
hiện qúa trình gia nhiệt để nhiệt độ của khối nguyên liệu trong lò tăng đến nhiệt
độ nóng chảy và nguyên liệu chuyển sang dạng lỏng.
- Giai đoạn này chiếm khoảng thời gian bằng 50 - 60% thời gian 1chu
trình nấu luyện. Trong giai đoạn này điện năng cấp cho lò chiếm từ 60 - 80%
năng lượng điện cấp cho 1 chu trình. Yêu cầu HQ đạt giá trị lớn nhất.

3


Đồ án tốt nghiệp

- Do đặc điểm của giai đoạn này là sự biến động nhiều của bề mặt khối
nguyên liệu trong lò nên thường hay xảy ra 1 số lần mất HQ và ngắt mạch.
* Giai đoạn 2: Giai đoạn oxy hoá và hoàn nguyên
- Giai đoạn này có thể chia thành 2 giai đoạn nhỏ
+ Giai đoạn này người ta cấp nhiệt cho khối kim loại lỏng để thực hiện
quá trình oxy hoá cácbon cũng như các hợp chất của lơu huỳnh, phốt pho. Do

việc oxy hoá cácbon sinh ra 1 nhiệt lượng tương đối lớn, cho nên trong giai đoạn
này công suất HQ chỉ cần 60% công suất giai đoạn 1. Cũng do việc oxy hoá
cácbon gây nên hiện tượng sôi rất mạnh của kim loại nên cũng dễ xảy ra một số
làn ngắn mạch, HQ ở giai đoạn này cũng yêu cầu duy trì tương đối ổn đinh.
+ Giai đoạn trước khi cho thép ra lò. Trong giai đoạn này tiếp tục quá trình
khử các hợp chất của lưu huỳnh, của oxy giảm dần nhiệt độ hợp kim hoá kim
loại. Nhiệt năng cấp cho lò ở giai đoạn này cần tương đối ít. Công suất của HQ
chỉ bằng cỡ 30% công suất của giai đoạn 1 và cũng yêu cầu HQ phải ổn định.
* Giai đoạn 3
Còn gọi là giai đoạn phụ. Trong giai đoạn này người ta thực hiện lấy sản
phẩm ra khỏi lò, tu sửa, vệ sinh lò và nạp nguyên liệu vào lò.

p hq

100 %
60 %
30 %

g ia i đ o ạ n
nấu chảy
k im lo ạ i

oxy
hoá
tin h
lu y ệ n

t

(3-4)h

H.1.2: Đồ thị công suất hữu công
tiêu thụ ở lò hồ quang 100 T
4


Đồ án tốt nghiệp

Đ3. Mạch điện chính lò Hồ quang
I. Giới thiệu chung về sơ đồ:
Sơ đồ mạch điện chính lò HQ được trình bày ở hình 1.3
Điện áp cấp cho lò lấy từ trạm biến áp lò. Điện áp vào là 6, 10, 35, hay
110 KV tuỳ theo công suất lò.
Sơ đồ có các thiết bị chính như 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 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 xảy ra ngắn mạch làm việc, máy cắt
2MC mở ra để cuộn kháng K tham gia vào mạch, hạn chế đóng mạch. Khi
nguyên liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệt lớn để nấu luyện, 2MC đóng lại để
ngắn mạch cuộn kháng. ở giai đoạn hoàn nguyên, công suất lò yêu cầu cần ít
hơn thì 2MC lại mở ra để đưa cuộn kháng K vào mạch, làm giảm công suất cấp
cho lò.
Với 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.
Sơ đồ điện lò hồ quang dung lượng dưới 20T (H.1.3)

Biến áp lò BAL dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp. Việc đổi nối cuộn sơ
cấp thành hình D hay hình sao 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.

5


Đồ án tốt nghiệp

Phí sơ cấp BAL có đặt Rơle dòng điện cực đại để tác động lên cuộn ngắt
máy cắt 1MC. Rơle này có duy trì3 thời
gian. Thời gian duy trì này giảm khi bội
~ 6 ~ 10 KV
CL
V

1MC

TU
A

A

W

1TI
A

KW.h

CK

2MC

3MC

Y/D

ĐKBV

4MC
A
2TI

V
V

Hình 1 - 3: Sơ đồ mạch điện chính của lò hồ
quang dung lượng dưói 20 T

6


Đồ án tốt nghiệp

Số quá tải dòng tăng. Nhờ vậy 1MC ngắt mạch lực của lò khi chỉ có ngắn
mạch sự cố và khi ngắn mạch làm việc kéo dài mà không xử lý được. Với ngắn
mạch làm việc trong thời gian tương đối ngắn, 1MC không cắt mà chỉ có tín hiệu
đều và chuông. Phía sơ cấp BAL còn có các dụng cụ đo lường, kiểm tra như vôn

kế, ampe kế, công tơ điện, pha kế... Phía thức cấp cũng có các máy biến dòng
2TI nối với các ampe kế đo dòng HQ, 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 BVĐK cũng được nối với máy biến điện áp
TU và các máy biến dòng 1TI, 2TI.
II. Máy biến áp lò
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 (2-4)Iđm.
- 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 thờihạn rộng.
- Phải làm mát tốt vì dòng lớn, hay có các ngắn mạch và vi biến áp đặt ở
nơi kín lại gần lò.
- Công suất BLA có thể xác định gần đúng từ điều kiện nhiệt trong giai
đoạn nấu chay vì ở các giai đoạn khác, lò đòi hỏi công suất tiêu thụ ít hơn.
- Nếu coi rằng, trong giai đoạn nấu chảy, tổn thất năng lượng trong lò HQ,
trong BAL và cuộn kháng K được bù trừ bởi năng lượng của phản ứng toả nhiệt
thì công suất BLA có thể xác định bởi nhiều biểu thức:
7


Đồ án tốt nghiệp

SBAL =

W
[KVA]
t nc .k sd . cos j

Trong đó:
Tnc: Thời gian nóng chảy (trừ lúc dừng lò)
Ksd: hệ số sử dụng công suất BAL trong giai đoạn nấu chảy
cosj: hệ số công suất của thiết bị là HQ
W: năng lượng hữa ích và tổn hao nhiệt trong thời gian nấu chảy và
dừng là giữa 2 mẻ nấu (KWh)
W= w.G
Trong đó:
G: khối lượng kim loại nấu (T)
w: suất chi phí điện năng để nấu chảy suất chi phí điện năng giảm
đối với là có dung lượng lớn
Thường W = (400á600) KWh/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 (1á3) h tuỳ dung lượng
lò. Hệ số sử dụng công suất BAL thường là 0,8 á0,9 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... Hiện nay, công suất BAL
ngày càng có xu hướng tăng vì nó cho phép giảm thời gian nấu chảy.
Cuộn thứ cấp BAL thường nối D vì dòng ngắn mạch được phân ra 2 pha và
như vậy điều kiện làm việc của các cuộn dây số 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.
III. Mạch ngắn
Mạch ngắn là phần dây dẫn điện nối từ đầu của bên thứ cấp BAL đến điện
cực, dòng điện đi qua mạch ngắn rất lớn có thể đạt đến hàng trăm KH và tổn hao
nhiệt trên mạch ngắn chiếm 70á80% toàn bộ tổn hao trong lò HQ. Do vậy, yêu

8


Đồ án tốt nghiệp

cầu đặt ra với mạch ngắn là càng ngắn, càng tốt (BAL phải đặt gần lò). Do đặc
điểm của phần dây đấu từ thứ cấp máy BAL đến điện cực phải chịu được dòng
điện rất lớn nhưng dây dẫn phải mềm dẻo nên người ta thường chế tạo bằng các
lá đồng mỏng ghép lại. Ngoài ra đối với các lò HQ 3 pha 1 yêu cầu quan trọng
đối với mạch ngắn là tổng trở của mạch ngắn trong 3 pha phải bằng nhau. Điều
này thường khó thực hiện do hiệu tương hỗ cảm giữa các dây dẫn. Để khắc phục
sự mất đối xứng của tổng trở mạch ngắn gây nên bởi hiện tượnghỗ cảm người ta
thực hiện bố trí các điện cực nằm ở trên các đinh của một tam giác đều trên nắp
lò đồng thời thực hiện nối hình D cuộn dây thứ cấp MBA lò ở ngay trên điện cực.
Trong trường hợp này mạch ngắn được bố trí thành các hệ 2 dây.
Đ4 . Điều chỉnh công suất lò - Yêu cầu
và các phương pháp thực hiện
I. Yêu cầu về điểu chỉnh công suất và ổn định công suất HQ
Từ công nghệ của lò HQ, ví dụ như đối với lò luyện thép ta tháy rằng
trong 1 mẻ nấu luyện ở các khoảng thời gian khác nhau yêu cầu công suát HQ
khác nhau. Như vậy, trong quá trình làm việc yêu cầu phải điều chỉnh được công
suất HQ. Mặt khác ở 1 chỗ đo cụ thể thì yêu cầu phải giữ ổn định công suất HQ
II. Điều chỉnh công suất hồ quang
Để thực hiện điều chỉnh công suất HQ khi lò đang làm việc
- Điều chỉnh có cấp bằng cách thay đổi có cấp điện áp bên cuộn thứ cấp
máy BAL nhờ việc thay đổi điểm đấu phân áp hoặc cách đấu dây cuộn sơ cấp
- Điều chỉnh trơn hoặc bằng cách thay đổi chiều dài HQ (khoảng cách từ
bề mặt điện cực đến kim loaị) nhờ hệ thống truyền động dịch chuyển điện cực.

9


Đồ án tốt nghiệp

III. ổn định công suất
ổn định chiều dài HQ nhờ hệ truyền động dịch điều cực
Đ 5. Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động dịch
điện cực lò HQ nung nóng trực tiếp các
phương pháp khống chế hệ thống TĐĐ
I. Các yêu cầu
1. Đủ độ nhạy để đảm bảo sự làm việc của lò duy trì được dòng điện HQ
không sai lệch khoảng (4á5)% giá trị đặt và có 1 vùng không nhạy phù hợp, ở
giai đoạn đầu: (3á6)%, giai đoạn 2: 2%.
2. Tác động nhanh, loại trừ ngắn mạch làm vỉa và đứt HQ với thời gian từ
(1,5á3)s
3. Thời gian điều chỉnh nhỏ
4. Hạn chế đều mức tối đa dịch điện cực không cần thiết đặc biệt đối với
lò HQ nhiều pha, hệ thống truyền động của điện cực phải độc lập.
5. Có khả năng điều chỉnh trơn công suất HQ từ (20 - 125%) công suất
định mức với sai số không được quá 5%.
6. Có thể chuyển đổi nhanh chế độ điều khiển từ tự động sang bằng tay và
ngược lại.
7. Tự mồi HQ khi bắt đầu làm việc và khi đang làm việc xảy ra mất HQ
hoặc ngắn mạch.
8. Dừng tất cả các điện cực khi mất điện lưới.
II. Các phương pháp khống chế hệ truyền động dịch điện cực.
Để điều chỉnh và ổn định công suất HQ thông qua hệ thống truyền động
dịch chuyển điện cực người ta đưa ra 3 phương pháp để khống chế hệ truyền
động dịch điện cực:

- Duy trì điện áp HQ không đổi: Uhq = const
- Duy trì dòng điện HQ không đổi: Ihq = const
10


Đồ án tốt nghiệp

- Duy trì tổng trở HQ không đổi: Zhq = const
Nhược điểm lớn nhất là có sự ảnh hưởng lẫn nhau giữ các hệ truyền động
dịch chuyển điện cực nên thường chỉ áp dụng cho lò HQ 1 pha, phương pháp thứ
3 có nhiều ưu điểm hơn và được sử dụng để khống chế lò HQ nhiều pha.
Sơ đồ tương đương 1 pha:

~ u
z ng
z hg
H.1.4
Với phương pháp duy trì tổng trở HQ không đổi thì tín hiệu để khống chế
hệ truyền động sẽ là:
Ukc = a.Ihq - b.Uhq
Khi Uhq = Uhq0; Ihq = Ihq0 ị

U hq 0
I hq 0

= Zhq0

Zhq0: Tổng trở đặt vùng HQ
Ukc = 0
a.Ihq0 = bUhq0 ị

U hq 0
I hq 0

=

b
= Zhq0
a

Khi Zhq = Zhq0: Ukc = 0: Điện cực đứng yên
Khi Zhq < Zhq0: Ukc < 0: Nâng điện cực
Khi Zhq > Zhq0: Ukc > 0: Hạ điện cực
Do khi làm việc bình thường (trừ ngắn mạch) thì Rhq > Rng nên Rhq giảm
dẫn đến Phq tăng
Muốn điều chỉnh tăng công suất HQ thì giảm Zhq làm cho chiều dài HQ
giảm.

11


Đồ án tốt nghiệp

Phần II
Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống
truyền động nâng hạ điện cực
lò hồ quang
Đ1. Giới thiệu chung

Các lò HQ nấu luyện kim loại đều có hệ thống điều chỉnh tự động việc

dịch điện cực vì nó có cho phép giảm thời gian nấu luyện, nâng cao năng suất
chi phí năng lượng, giảm thấm cácbon cho kim loại, nâng cao chất lượng thép,
giảm dao động công suất khi nấu chảy, cải thiện điều kiện lao động.
Trong phần II của đồ án, em thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền
động dịch điện cực lò hồ quang. Trong đó, thiết kế mạch lực, mạch điều khiển,
ngoài ra do yêu cầu công nghệ của lò HQ ta phải thiết kế thêm mạch tạo luật
điều khiển và mạch tổng hợp tín hiệu.
Trong phần thiết kế mạch lực phải đảm bảo các yêu cầu thiết kế sau :
1. Chọn động cơ truyền động và phương pháp điều chỉnh tốc độ
2. Chọn loại bộ biến đổi
3. Chọn sơ đồ bộ biến đổi
4. Chọn phương pháp đảo chiều động cơ
5. Chọn phương pháp điều khiển bộ biến đổi
Trong phần thiết kế mạch điều khiển có các yêu cầu sau :
1. Chọn loại phản hồi
2. Thiết kế mạch phát xung điều khiển
3. Nêu nguyên lý hoạt động của một kênh phát xung
4. Thiết kế bộ tổng hợp và khuyếch đại trung gian
5. Thiết kế nguồn nuôi

12


Đồ án tốt nghiệp

Đ2. Sơ đồ chức năng một pha khống chế
dịch điện cực hồ quang
Một hệ điều chỉnh công suất tự động lò HQ có sơ đồ chức năng đơn giản
như hình 2.1
2

1

4
3

1'

5

6

Hình 2.1- Sơ đồ chức năng hệ điều chỉnh công suất lò HQ
Hệ gồm đối tượng điều chỉnh 6 (lò HQ) và bộ điều chỉnh vi sai. Bộ điều
chỉnh gồm các phần tử cảm biến dòng 1 và áp 1, phần tử so sánh 3, bộ khuyếch
đại 4, cơ cấu chấp hành 5 và thiết bị đặt 2. Trên phần tử so sánh có 2 tín hiệu từ
đối tượng điều chỉnh tới (tương ứng tỉ lệ với dòng và áp HQ) và một tín hiệu từ
thiết đặt tới. Tín hiệu sai lệch từ phần tử so sánh được khuyếch đại qua bộ
khuyếch đại 4 rồi tới cơ cấu chấp hành 5 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 phản hồi về tốc độ dịch cực, về tốc độ thay đổi dòng áp hồ
quang...Trong sơ đồ này cũng có thể có các phần tử chương trình hoá, máy tính...
13


Đồ án tốt nghiệp

Đ3. Sự lựa chọn phương án truyền động

I. Giới thiệu chung
Có nhiều hệ thống truyền động dịch điện cực lò HQ như hệ thống truyền

động dùng máy điện khuyếch đại, khuyếch đại từ, Thysistor, thuỷ lực, ly hợp
điện từ. Công nghệ luyện thép đòi hỏi những yêu cầu khác nhau về hệ thống
truyền động và cũng phải phù hợp với tình hình thực tế, điều kiện kinh tế của
từng khu vực, từng công ty. Trong khuôn khổ một đồ án tốt nghiệp chuyên
ngành điện tự động hoá, em đi sâu vào nghiên cứu, lựa chọn phương án truyền
động sử dụng hệ thống điện. Dưới đây là 2 phương pháp truyền động dịch điện
cực bằng điện là hệ thống truyền động dùng máy điện khuyếch đại và hệ thống
truyền động dùng Thysistor.
II. Phân tích một số phương án truyền động
1. Điều khiển dịch điện cực lò HQ dùng hệ MĐKĐ - Đ (Máy điện
khuyếch đại từ trường ngang - Động cơ một chiều kích từ độc lập)
a. Giới thiệu sơ đồ
Sơ đồ hình 2.2
* Phần mạch lực
Đ: Động cơ một chiều kích từ độc lập dùng để truyền động cho cơ cấu
dịch cực (nâng, hạ)
CKĐ: Cuộn kích từ của động cơ.
MĐKĐ: Máy điện khuyếch đại từ trường ngang dùng để cung cấp điện áp
cho động cơ
CB: Cuộn bù của MĐKĐ.
8R: Điệu trở điều chỉnh mức độ bù
CĐC1: Cuộn dây kích từ được đặt tín hiệu chủ đạo khi làm việc ở chế độ
tự động.
14


§å ¸n tèt nghiÖp

BD

3CL

7R

1BA

CB

8R
4CL
+ _

1CD
1R

1CL

CFA

§

RA HN

10R

_

M§K§

+

RD
9R

5R

RTh CK§

5 6
T§
3R

RA

RTh

+

_

RD
C§C1
4R

T§
7 8
1

2

N

9 10
1K
2CD

C§C2
2R

CC

11 12 H

2K

3 4

N

2CL
®iÖn lùc
c¬ cÊu truyÒn
®éng ®iÖn lùc

Nåi lß

H×nh 2.2. S¬ ®å ®iÒu khiÓn hÖ thèng n©ng h¹
®iÖn cùc lß HQ dïng hÖ M§K§-§

15

Đồ án tốt nghiệp

CĐC2: Cuộn điều chỉnh 2 là cuộn dây kích thích được đặt tín hiệu chủ đạo
trong chế độ làm việc bằng tay.
CFA: Cuộn phản hồi âm áp, sử dụng làm nhiệm vụ phản hồi âm áp mạch
phần ứng động cơ.
* Mạch khống chế
Ngoài các cuộn dây kích từ của MĐKĐ trong sơ đồ của hệ thống truyền
động này, mạch khống chế còn có:
- Khâu lấy tín hiệu tỉ lệ với điện áp HQ gồm có cầu dao 2CD, cầu chì CC,
điện trở 2R, các tiếp điểm 1K, 2K, bộ chỉnh lưu hình cầu 1 pha không điều khiển
2CL.
Chiết áp 4R
Phần điện áp một chiều giữa điểm nối chung của 4R, 5R và con trượt 4R tỉ
lệ với giá trị hiệu dụng của điện áp vùng HQ và được ký hiệu là bUhq
- Khâu lấy tín hiệu tỉ lệ với dòng BD gồm máy biến dòng HQ, cầu dao
1CD, biến trở 1R, Máy biến áp 1BA, bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển
1CL.
Chiết áp 5R.
Giữa điểm nối chung 4R & 5R và con trượt của 5R ta lấy ra điện áp một
chiều tỉ lệ với giá trị hiệu dụng dòng điện HQ và ký hiệu là aIhq
Mắc nối tiếp với 5R ở trong đầu ra của 1CL có cuộn dây của Rơle dòng
điện RD mà tiếp điểm của nó mắc song song với điện trở 3R
Để điều khiển các chế độ làm việc bằng tay, tự động người ta sử dụng
công tắc quay
TĐ: Tự động
N & H: Nâng hạ bằng tay và 1 vị trí dừng
Ngoài ra mạch khống chế còn có các điện trở 7R, 10R, 9R. Cuộn dây

Rơle điện áp RA và Rơle thời gian Rth. Các điốt 3CL và 4CL để cung cấp điện áp

16


Đồ án tốt nghiệp

cho cuộn kích từ của động cơ và cuộn CĐC2. Khi điều khiển bằng tay người ta
sử dụng nguồn một chiều.
Để điều chỉnh tốc độ nâng và hạ khi thực hiện điều khiển bằng tay người
ta ssử dụng chiết áp 6R.
Cực tính của các chiết áp trên động cơ khi động cơ làm việc ở chế độ động
cơ theo chiều nâng và hạ được biểu diễn sơ đồ
b. Nguyên lý làm việc
* Khi hệ thống đã đi vào làm việc bình thường ở chế độ điều khiển tự động.
Khi cho hệ thống làm việc ở chế độ điều khiển tự động thì công tắc tơ điều
khiển để ở vị trí TĐ, tiếp điểm nối giữa các điểm 5 - 6. 7 - 8, sẽ kín, còn các tiếp
điểm khác hở mạch.
Như vậy, trên cuộn dây CĐC1 và điện trở 3R được đặt điện áp Ukc
Ukc = aIhq - bUhq

(Lấy giữa con trượt của 4R, 5R)

+ ) Khi tổng trở HQ: Zhq = Zhq0 (Giá trị đặt Zhq0 =

b
)
a

ị Ukc = 0

MĐKĐ không được cấp kích thích cho nên suất điện động của nó bằng
không.
+) Khi Zhq < Zhq0, tức là điện cực gần kim loại hơn so với khoảng cách đặt
dẫn đến dòng HQ tăng làm cho điện áp vùng HQ sẽ giảm
bUhq < bUhq0;

aIhq > aIhq0

ị Ukc = aIhq - bUhq < 0
Cuộn CĐC1 được cấp điện dẫn đến MĐKĐ được kích thích phát ra một
s.đ.đ có cực tính làm cho động cơ quay theo chiều nâng điện cực, kết quả là
khoảng cách giữa kim loại và điện cực tăng dần lên, làm cho Ihq giảm dần, Uhq
tăng dần.
Khi khoảng cách bằng giá trị đặt thì Ukc = 0.
S.đ.đ của MĐKĐ bằng 0, động cơ sẽ ngừng quay và điện cực ngừng dịch
chuyển.

17


Đồ án tốt nghiệp

+) Khi Zhq >Zhq0 ị Ihqđ Ihq đ Uhq- đ Ukc > 0
đ MĐKĐ cũng được kích thích nhưng chiều của từ thong thì ngược lại đ Động
cơ quay theo chiều hạ điện cực cho đến khi Zhq = Zhq0 đ Ukc = 0
* Loại trừ ngắn mạch làm việc.
Khi lò đang làm việc, nếu xảy ra ngắn mạch Uhq giảm bằng 0, Ihq tăng rất
lớn dẫn đến aUhq = 0 và bIhq rất lớn làm cho Ukc sẽ rất âm. Mặt khác, do điện áp
đầu ra bộ chỉnh lưu 1CL lớn nên dòng qua cuộn RD đạt giá trị tác động đóng
tiếp điểm RD mắc song song với 3R làm cho cuộn CĐC1 có giá trị rất lớn. S.đ.đ

MĐKĐ sẽ có giá trị lớn và cực tính làm cho động cơ quay theo chiều nâng điện
cực, động cơ sẽ thực hiện tách điện cực ra khỏi kim loại và nâng nhanh điện cực
lên, HQ lại xuất hiện.
Mặt khác, với cực tính của điện áp trên động cơ như đẫ giới thiệu ở trên sơ
dồ thì dòng điện đi qua cuộn dây CFA phải đi qua 7R làm cho hệ thống sẽ phản
hồi âm áp nhỏ hơn trường hợp động cơ quay theo chiều hạ, dẫn đến làm tăng giá
trị s.đ.đ MĐKĐ làm tăng tốc độ nâng. Đồng thời với cực tính của điện áp RA sẽ
tác động làm mở tiếp điểm RA thường kín trong mạch cuộn dây Rơle trung gian
Rth, dẫn đến Rth mất điện. Sau một thời gian duy trì, tiếp điểm Rth mắc song song
với 9R với động cơ làm giảm từ thông động cơ. Điều này cũng dẫn đến tăng tốc
độ nâng để tăng nhanh khoảng cách, giảm nhanh gía trị dòng điện. Khi động cơ
đã tách ra khỏi kim loại, dòng HQ giảm còn điện áp hồ quang tăng, Rơle RD
ngừng tác động, nối tiếp điện trở 3R vào mạch cuộn dây CĐC1 làm cho dòng
qua CSSC1 giảm nhiều đ S.đ.đ của MĐKĐ giảm. Điều này dẫn đến Rơle điện
áp RA ngừng tác động Rth lại có điện thực hiện nối ngắn mạch điện trở 9R, làm
cho từ thông động cơ tăng lên bằng định mức. Tất cả các tác động trên làm giảm
tốc độ nâng để tránh hiện tượng mất HQ và khi khoảng cách tăng lên bằng giá trị
đặt thì động cơ sẽ ngừng quay.
* Tự động mồi HQ khi mất điện hoặc khi bắt đâùy khởi động lò.

18


Đồ án tốt nghiệp

Giả sử điện cực chưa chạm vào kim loại, ta đóng nguồn cung cấp cho máy
biến áp lò để thực hiện đưa lò vào làm việc và phần mạch khống chế đặt ở chế độ
làm việc tự động.
- Công tắc điều khiển chế độ làm việc để ở vị trí tự động.
- Tự đóng cầu dao 2CD, cắt cầu dao 1CD.

Lúc này Uhq=U2 (điện áp không tải cuộn thứ cấp MBA) còn Ihq=0đUkc > 0
và có giá trị lớn nhất, điện cực sẽ được hạ xuống với tốc độ nhanh nhất theo
chiều hạ. Khi điện cực tiếp xúc với kim loại xảy ra hiện tượng ngắn mạch đ Uhq
giảm bằng 0, còn Ihq tăng rất lớn, Ukc đổi chiều và có giá trị lớn nhất làm cho
s.đ.đ MĐKĐ đổi chiều, động cơ sẽ đổi chiều quay thực hiện quá trình loại trừ
ngắn mạch xuất hiện HQ (Nguyên lý làm việc của giai đoạn này như đã giới
thiệu ở phần loại trừ ngắn mạch làm việc phần trên).
* Khống chế bằng tay quá trình dịch điện cực.
Trong trường hợp này, khi cần nâng ta để công tắc điều khiển ở vị trí N,
khi cần hạ ta để công tắc ở vị trí H. Nguồn điện một chiều đặt lên chiết áp 6R,
động cơ thực hiện nâng hoặc hạ điện cực. Điều khiển tốc độ nâng hạ nhờ con
trượt của 6R (tăng tốc độ thì con trượt giảm).
* Điều chỉnh công suất lò nhờ tác động vào hệ thống truyền động dịch
điện cực.
Muốn tăng Phq thì cần giảm Zhq0 và ngược lại
Zhq0 =

b
a

Tăng Phq đ giảm b đ tăng a: Trượt con trượt 5R xuống, 4R xuống.
Giảm Phq đ tăng b đ giảm a: Trượt con trượt 5R lên, 4R lên.
Mỗi điện cực trong lò HQ nhiều pha thường có riêng một hệ thống truyền
động, thông thường người ta luôn có sẵn một hệ truyền động để dự phòng, ngoài
truyền động điện dùng động cơ một chiều hiện nay người ta ngày càng sử dụng
các hệ truyền động lồng sóc được cung cấp và điều chỉnh tốc độ nhờ bộ biến tần.
2. Hệ thống truyền động điện dùng hệ T - Đ.
19

§å ¸n tèt nghiÖp

NG

D1

1CL
BD

FX1

R1
2R

K§

D2

§K

R2
N§KT

FX2

1C
3R
KKN

2C

2CL

2BA

DZ
DZ

4R

5R

M

C
D

D

KTM

H×nh 2- 3 : S¬ ®å ®iÒu khiÓn dÞch cùc lß hå quang b»ng hÖ thèng T - §

20


Đồ án tốt nghiệp

a. Giới thiệu sơ đồ hệ thống truyền động điện.
Sơ đồ hình 2.3:

* Phần mạch lực.
M: Động cơ một chiều kích từ độc lập dùng để nâng hạ điện cực.
BAĐL: Máy biến áp động lực.
2 sơ đồ chỉnh lưu hình tra 3 pha gồm 6 van: T1, T2, T3 (sơ đồ thuận) và T4, T5, T6,
các cuộn kháng cân bằng CB1, CB2, là bộ phận biến đổi đảo dòng điều khiển
phối hợp tuyến tính được dùng để cấp điện cho động cơ M.
AB: Là áptomat dùng để đóng cắt và bảo vệ cho phần mạch lực.
* Phần mạch khống chế (điều khiển)
Gồm 2 bộ phát xung điều khiển FX1 và FX2 để tạo ra các xung điều khiển
cho 2 sơ đồ thuận và ngược, KĐ & ĐK là bộ phận khuyếch đại và xử lý các tín
hiệu điều khiển của hệ truyền động.
Khâu tạo điện áp tỉ lệ với điện áp HQ gồm 1R & bộ công tắc nối với 1R,
máy biến áp 2BA, bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 2CL, tụ điện 2C và chiết áp 3R.
Khâu tạo tín hiệu tỉ lệ với giá trị hiệu dụng của dòng HQ gồm máy biến
dòng BP, máy biến áp 1BA, bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 1CL, tụ 1C, chiết áp 2R. Các
chiết áp P1, P2 và nguồn một chiều là các phần tử của khâu không nhạy (khâu có
vùng chết)
Bộ phận lấy tín hiệu tỉ lệ với điện áp động cơ (phản hồi âm điện áp) gồm
chiết áp 4R, 4R tụ điện 3C, Điot D & Điot ổn áp DZ.
NKT là bộ phận biển đổi để điện áp kích từ cho động cơ M. KTM là cuộn
kích từ, Ngoài ra trong hệ thống còn sử dụng phản hồi âm dòng điện co ngắt
(trên sơ đồ khống chế biểu diễn)
b. Hoạt động của sơ đồ.
* Khi lò làm việc bình thường.
- Tín hiệu ở đầu bộ khuyếch đại KĐ gồm:
Ukc - aU D U

21

Đồ án tốt nghiệp

DU là hiện lượng điện áp đặt của khâu không nhạy. Tín hiệu này được đưa
qua khâu không nhạy đến đầu vào bộ KĐ, nó được khuyếch đại lên, cũng như
chỉ tạo ra làm chức năng điều khiển và xử lý để điều khiển 2 bộ phát xung FX1,
FX2.
Khi Ukc - aU > 0 và Ukc - aU < D U
DU là giá trị điện áp giữa điểm nối chung của R1, R2 và điểm con trượt của R1
(đầu Anot của D1)
đ Chưa có tín điện áp đến đầu vào KĐ.
Khi Ukc - aU < 0 và Ukc - aU > - D U
Mà U kc - aU < DU thì cũng chưa có_ điện áp vào bộ ĐK
d1
_
+
_
+

_

u

kc

-u

u
u

r

v

+

+

H ìn h 2 .4

Khi UVKĐ = 0 đ góc điều khiển của 2 sơ đồ chỉnh lưu a1 = a2 = p 2 (900)
Điện áp đầu ra của bộ biến đổi bằng 0, động cơ chưa làm việc, điện cực
không dịch chuyển.
- DU Ê U kc Ê DU :

a1 = a2 =

p
: Động cơ không quay
2

Nếu xảy ra góc sai lệch lớn, khoảng cách điện cực ví dụ qúa xa đXuất
hiện điện áp vào bộ KĐ. UVKĐ > 0 đa1 < 900. Sơ đồ thuận làm việc ở chế độ
chỉnh lưu, đ động cơ được cấp điện áp và quay theo chiều hạ điện cực để giảm
22


Đồ án tốt nghiệp

sai lệch đUKC - aU sẽ giảm dần và khi hiện số điện áp này bằng hoặc nhỏ hơn
DU thì điện áp vào bộ KĐ bằng 0 đ a1 = a2 = 900đ Động cơ ngừng quay.

Trường hợp ngược lại khi điện cực quá gần bề mặt kim loại đUKC âm hơn
DU.
UVKĐ = UKC - aU + D U
Và trên đầu vào bộ KĐ sẽ xuất hiện điện áp
UVKĐ < 0 đ a1 tăng lớn hơn 900, a2 giảm nhỏ hơn 900
đ Sơ đồ 2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu cấp điện cho động cơ quay theo chiều
nâng điện cực. Khi sai lệch nằm trong một khoảng cách nhất định hoặc sai lệch
tăng theo chiều tổng trở HQ thì sai lệch càng lớn giá trị tuyệt đối của UKC càng
tăng tương ứng tốc độ dịch chuyển điện cực tăng lên một lượng một cách tỉ lệ.
Nhưng nếu điện cực quá gần bề mặt hoặc xảy ra ngắn mạch thì điện áp đặt
lên động cơ sẽ theo chiều nâng điện cực đồng thời có gía trị lớn. Lúc này Điot ổn
áp DZ làm việc, điện áp phản hồi âm điện áp lấy trên chiết áp 5R sẽ có giá trị
không đổiđ bộ KĐ sẽ bị bão hoà. Tín hiệu đầu ra của bộ KĐ có giá trị lớn nhất,
góc điều khiển của 2 sơ đồ đạt giá trị nhỏ nhất làm cho động cơ được cấp điện áp
lớn nhất theo chiều nâng và tốc độ nâng là nhanh nhất. Quá trình này sẽ tồn tại
cho đến khi một giá trị nhất định, lúc đó, điện áp trên phần ứng động cơ đưa qua
4R đến khâu lấy tín hiệu phản hồi không còn làm việc cho DZ làm việc.
c. Đặc tính tính của động cơ dịch cực.
Đặc tính như hình 2.5 cho khả năng

V
+U

m ax

loại trừ nhanh chế độ sai lệch và trong giai
đoạn hoàn nguyên, các sai lệch nhỏ không có
a

tác động hoặc có tác động ở vùng tốc độ nhỏ

Ha

chỉnh. Sau khi sai lệch bị trừ khử, tín hiệu sai
động của phản hồi sẽ xảy ra hãm điện. Hai

I%

a1

do đó loại trừ được hiện tượng qua điều
lệch nhỏ hơn vùng không nhạy và dưới tác

b1

2

b2

_U

m ax

H.2.5: Đặc tính tĩnh của
động cơ dịch cực
23


Đồ án tốt nghiệp

nhóm Thysistor sẽ thực hiện lần lượt chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu tuỳ hướng
chuyển động.
Vùng không nhậy của bộ điều chỉnh Oa1, Oa2.
Khi Uhq tăng thì động cơ điện tụt xuống: a2b2
Khi Ihq tăng thì động cơ nâng điện lực lên. ở
vùng thay đổi nhỏ của Ihq thì tốc độ nâng tỉ lệ của
số gia DIhq đoạn a1b1. ở vùng thay đổi lớn của Ihq thì
tốc độ nâng nhảy vọt.
3. Nhận xét, lựa chọn phương án
So với hệ truyền động MĐKĐ - Đ thì hệ truyền động dùng Thysistor có nhiều ưu
điểm hơn. Sơ đồ điều khiển dùng Thysistor có độ tác động nhanh, có thể bỏ qua
quán tính của bộ biến đổi. Bộ điều chỉnh công suất lò HQ bằng Thysistor là có
triển vọng nhất. Nó thoả mãn các yêu cầu đề ra và chỉ thua kém hệ thuỷ lực về sự
tác động nhanh. Sơ đồ này có thể giảm tiếng ồn, không yêu cầu nền móng phức
tạp, gọn nhẹ hơn, cải thiện chất lượng hệ thống, tổng hợp được nhiều tín hiệu do
vậy có thể tự động hoá ở mức cao. Hệ số khuyếch đại của hệ T - Đ lớn hơn nhiều
so với hệ thống dùng máy điện khuếch đại.
Sức điện động đầu ra của bộ biến đổi có dạng đáp mạch vì nó có thành
phần sóng hài bậc cao và điều này gây ra tổn thất. Hệ thống van bán dẫn chịu
quá tải kém, hệ số cos j rất thấp nhất là khi điều chỉnh sâu gây méo điện áp lưới.
Từ các nhận xét trên ta chọn vùng hệ T - Đ để dịch cực lò HQ vì hệ thống
này đảm bảo cả về kinh tế lẫn kỹ thuật.

Đ 4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý

I. Thiết kế mạch động lực
1. Lựa chọn các phương án
a. Chọn sơ đồ bộ biến đổi
24

Đồ án tốt nghiệp

Có nhiều sơ đồ chỉnh lưu đáp ứng được yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên, ở
mỗi sơ đồ có các chỉ tiêu chất lượng khác nhau. Các sơ đồ 1 pha tuy rẻ song có
chất lượng điện áp ra kém, nhất là khi góc mở a lớn, chuyển động có phạm vi
điều chỉnh lớn đòi hỏi góc mở a dao động rộng và như vậy sơ đồ 1 pha khó đáp
ứng được. Vì vậy hệ truyền động của ta chỉ nên chọn sơ đồ 3 pha. Ta đi sâu
nghiên cứu sơ đồ hình tia 3 pha và hình cầu 3 pha.
* Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha:
sơ đồ nghiên cứu chỉnh lưu hình tia 3 pha
Hình 2.6 là sơ đồ nghiên cứu chỉnh lưu hình tia 3 pha. Trong sơ đồ:

a
b
c

iA

iB

*

* a

ia

iT

*

* b

ib

iT

1

ckt

m

2

ck
iC

*

* c

ic

iT

3

H.2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha
- BA là máy biến áp 3 pha dùng để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.

- Các Thysistor T1, T2, T3 dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bên thứ
cấp máy biến áp BA là Ua, Ub, Uc thành điện áp 1 chiều trên tải Ud.
- M là động cơ 1 chiều kích từ động lập
- CKT là kích từ cho động cơ.
- CK là cuộn kháng san bằng
- iA, iB, iC là dòng cáp pha cuộn dây sơ cấp của BA
- ia, ib, ic là dòng cáp pha cuộn dây thứ cấp của BA
- iT1, iT2, iT3 là dòng các van chỉnh lưu.
- id là dòng điện chỉnh lưu
25