Chơng 1.Giới thiệu chung về lò nấu thép
1.1.Tìm hiểu về lò nấu thép
- Ngnh luyn kim ra i t rt lõu, sn phm ca nú ỏp ng c nhu
cu trong moi lnh vc. Trong thi gian u, cỏc phong phỏp luyn thộp c
in nh: lũ cao, lũ Mactanh- õy l nhng loi lũ dựng nhiờn liu t nh ci
than Ngy nay, vi s s dng rng rói ca in nng thỡ phng phỏ nu
luyn thộp bng in chim u th:
Nu luyn thộp bng lũ in l phng phỏp nhanh nht, mang li
hiu qu kinh t cao vỡ phng phỏp ny bin i in nng thnh
nhit nng
iu chnh nhit d dng, kh nng t ng hoỏ cao v cú kh
nng luyn, nu c nhiu loi thộp khỏc nhau, dựng cho mc ớch
khỏc nhau.
It gõy ụ nhim mụi trng.
- Cú cỏc loi lũ ph bin sau: lũ h quang, lũ in tr, lũ cm ng.
- Trong cỏc loi lũ in trờn thỡ lũ cm ng cú cỏc u im ni tri hn c:
Nu chy c kim loi sch nht, vn hnh n gin v cú th nu
chy trong chõn khụng hay trong mụi trng c bit. So vi lũ in
tr v lũ h quang thỡ hiu qu nhit ca lũ in cm ng l 80% so
vi 60%-75% ca 2 lũ kia v hiu suõt nhit lờn ti 96%.
Tuy nhiờn lũ cm ng cú h s cụng sut gim khi in tr ca vt
liu gim v tng nh s ny thng ngi ta mc cỏc t in
song song vi lũ. Nhit ca x thp cho nờn khú cú th tinh luyn
thộp.
Mt im chỳ ý trong lũ in cm ng l tn s lũ cng cao khi khi
lng phi liu nu trong nũi m thp.
500 000Hz i vi lũ nh, nu thớ nghim 10g - 100g.
8000Hz - 4000Hz i vi lũ thớ nghim nu vi kg.
2000Hz i vi lũ cụng nghip nh, mt m 50 kg - 500kg.
1000Hz i vi lũ mt m 250kg-2000kg.
50Hz (tn s cụng nghip) vi cỏc lũ nu ln trong cụng nghip

biệt khác có yêu cầu độ sạch cao, đồng đều và chính xác về thành phần hoá học.
Cấu tạo của lò
Gồm hai bộ phận chính là vòng cảm ứng và nồi lò.
- Vòng cảm ứng làm bằng đồng hoặc ống sắt dẹt. Vì dòng qua vòng cảm
ứng cỡ hàng ngàn ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25 ữ30% công suất hữu ích
của thiết bị. Do vậy cần làm mát vòng cảm ứng.
Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2 ữ 5A/mm
2
. Làm
mát bằng nớc trong vòng cảm ứng rỗng cho phép dòng điện tới 50 ữ 70A/mm
2
.
- Nồi lò làm bằng vật liệu chịu lửa.
1.2.Tìm hiểu về tải
1.2.1.Đặc tính tải trong quá trình nấu thép
Tải lò nấu thép là tải có tính cảm kháng.Đầu tiên ta dễ nhận thấy tải phụ thuộc
nhiệt độ theo công thức
R
t
= R
0
*(1 + *t) ;

Tải lò nấu thép là tải có tính biến động, thông qua đồ thị dới
2
à

T
780
0

Trong đó:
I
1
: dòng điện trong cuộn cảm ứng (A)
n : số vòng dây cuộn cảm ứng
d : đờng kính trong lò
h : chiều cao mẻ liệu (cm)
I
1
.n : số ampe vòng
Từ công thức trên ta thấy:
Năng lợng biến thành điện năng ở trong mẻ liệu tỉ lệ thuận với bình phơng
ampe vòng, tức tỉ lệ với cờng độ từ trờng và căn bình phơng điện trở riêng và tần
số.
W
nhit



H
2


I
2
W
nhit


f

a
à
=
àà
.0
: hệ số từ thẩm tuyệt đối của kim loại.

à
: hệ số từ thẩm tơng đối của kim loại

0
à
= 4.
à
.10
-7
H/m : hệ số từ thẩm chân không



1
=
: điện dẫn của kim loại
Tính toán và thực tế cho thấy khi z = thì 0,864 phần năng lợng điện từ có
ở bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày , còn 0.316 phần
năng lợng tiếp tục truyền sâu vào lớp kim loại bên trong. Tần số càng lớn thì
càng nhỏ và năng lợng điện từ càng tập trung đốt nóng ở lớp mặt ngoài của kim
loại. Do đó để giảm năng lợng điện mất mát trên một tấm kim loại và quá trình
nấu chảy nguyên vật liệu cần thiết phải tính toán một cách hợp lý và tỉ mỉ những
kích thớc cục nguyên liệu và chất khít chặt với tần số tơng ứng.

Để đảm bảo cả yêu cầu kinh tế và kỹ thuật, việc lựa chọn tần số phụ thuộc
rất nhiều vào công suất của lò. Quan hệ giũă tần số và công suất của lò đợc thể
hiện qua những số liệu sau:
4

Công suất lò (kW) Tần số (Hz)
<150 2000 ữ 3000
250 ữ 500 1000
750 ữ 1000 500
>1200 150
Hiện nay việc lựa chọn tần số dòng điện cung cấp cho lò không có lõi sắt
để luyện thép vẫn đợc lựa chọn nh trên.
Chơng 2.Phơng án thiết kế
Sơ đồ khối của bộ biến tần cấp cho là nấu thép
Trong đó:
U
21
: điện áp vào bộ chỉnh lu.
U
d1
=K
cl
*U
21
*cos : điện áp ra bộ chỉnh lu (điện áp vào bộ lọc)
U
d2
= K
nl
*U

= const
Mạch chỉnh lu điều chỉnh công suất trong quá trình nấu chảy vật liệu,vì khi góc
tải
t
thay đổi thì cũng phải thay đổi cho phù hợp.
2.1.Phân tích đề xuất phơng án.
5
Chọn nghịch lu nguồn dòng cộng hởng vì
Tạo tần số cao f = 1 30 kHz
Phụ tải có tính cảm kháng , nên ta mắc song song vào tải tụ , để tạo mạch vòng
dao động hình Sin của I hoặc U.Nhờ đó có thể sử dụng Thyristor thờng và xung
điều khiển là các xung đơn,van chuyên mạch tự nhiên
Từ công thức K
cl
*U
21
*cos = K
nl
*U
22
*cos
t
,mặt khác , quá trình nấu thép
thì tải luôn thay đổi , hay
t
luôn biến động .Để đảm bảo cho quá trình năng l-
ợng đợc tốt , ngời ta chọn nghịch lu độc lập nguồn dòng lam việc ở chế độ cộng
hởng , tức là luôn giữ cho cos
t
= const , khi đó công suất nguồn qua bộ biến

Sơ đồ cầu 3 pha không đối xứng gồm 3 tiristor và 3 diode chia làm 2 nhóm:
- Nhóm catot chung : T1, T3, T5
- Nhóm anod chung : D2, D4, D6
Điện áp các pha:
U
a
=
2
U
2
sin
U
b
=
2
U
2
sin( -
3
2

)
U
c
=
2
U
2
sin( -
3

Chỉnh lu hình tia 3 pha không điều khiển gồm D2, D4, D6 có:
U
A
=

cos
U
doTia
= 1,17U
2
Tổng hợp lại ta có:
Chế độ và chức năng
Điện áp trên mạch tải:
8
U
d
= U
K
+ U
A
= 1,17U
2
(1 + cos) = 2,34U
2
.
2
cos1

+
= U

đm
=3) nên yêu cầu cao
về bộ lọc.
Làm lệch pha lới điện khi thay đổi góc điều khiển
2.2.3. Chỉnh lu điều khiển 3 pha đối xứng
Sơ đồ nguyên lý:
9
• D¹ng ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn
10
Phân tích sơ đồ:
Sơ đồ cầu 3 pha đối xứng gồm 6 Tiristor, chia làm 2 nhóm :
- Nhóm catot chung: T1, T3, T5
- Nhóm anod chung: T2, T4, T6
Điện áp các pha:
U
a
=
2
U
2
sin
U
b
=
2
U
2
sin( -
3
2

>0. Sự
mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U
a
> U
c
. Lúc này T6 và
T1 cho dòng đi qua. Điện áp r a trên tải:
UUUU
baabd
==
- Khi



+=
6
3
cho xung điều khiển mở T2. Thyristor này mở vì T6 dẫn
dòng, nó đặt
U
b
lên catot T2 mà U
b
> U
c
. Sự mở của T2 làm cho T6 khóa lại một
cách tự nhiên vì U
b
> U
c

T5 T3

6
= 11/6 +
T6 T4
Điện áp trên tải U
d
= V
K
- V
A
là khoảng cách thẳng đứng giữa hai đờng bao:
11

+
+
=






6
5
6
2
.sin2
2
6

Dòng trung bình qua van: I
v
= I
d
/3
Ưu nhợc điểm của sơ đồ:
- Ưu điểm:
Chất lợng điện áp tốt nên việc thiết kế bộ lọc đơn giản, tiết kiệm.
Có khả năng hoàn trả năng lợng về lới tốt khi tải có tính chất cảm
kháng.
Dòng điện máy biến áp đối xứng khi thay đôỉ góc
Nhợc điểm:
- Mạch điều khiển phức tạp nhng có thể khắc phục đợc.
- Dải điều chỉnh U
d
hẹp
- Hệ số sử dụng máy biến áp thấp hơn vì cos
ba
= cos
Với máy biến áp, ta có
Với máy biến áp điều chỉnh công suất S
ba
= 1,05*P
đmax
Với máy biến áp có chức năng nguồn áp một chiều
S
ba
=1,05* P
đmax
*

P
t
= 200 KW
U
ra
= 500 V
U
ng

=3*380V
f
ra
= 12000 Hz
Chn thi gian phc hi ca van trong nghch lu l : t
r
= 20
à
s
Gúc nghch lu nh nht :
min
=

t
r
= 2.1000.20.10
-6
= 0,1256 rad
0,1256 rad = 7,2
0


P
d
I ===
3.1.Tính toán bộ lọc
Lọc bằng điện cảm rất phù hợp với tải công suất lớn vì công suất càng lớn thì
điện trở tải R
t
sẽ càng nhỏ và dễ dàng thực hiện điều kiện lọc tốt là X
L
>> R
t

1
2
)(
1
2
2
+

=

tg
dm
m
dm
m
dmv
k
(116_ĐTCS)

2


=
;
vi
)(1,5
5,165
846
===
d
I
d
U
t
R
Thay s vo ta c :
)(9,10)(
3
10.9,101,5.
2.50 .6
1
2
15,4
mHHL =

=

=


0
gúc dn d tr

14
* U
d®m
= 422 V
* ∆U
lưới
: Sụt áp nguồn xoay chiều dưới trị số định mức
∆U
lưới
=( 10% ÷ 20%) U
f lưới
= 10% .220=22 (V)
* ∆U
van
: Sụt áp trên các van dẫn ( lấy tương đối = 1.75)
∆U
van
= 2.1,75 = 3,5 (V) ( s¬ ®å cÇu )
* ∑∆U
r
: Sụt áp do thành phần 1 chiều dòng tải gây ra bao gồm :
+ Sụt áp trên điện trở dây quấn MBA
sơ đồ cầu ∆U
rba
= 2.I
d
.R

e
ba
S
U
d
I 01,0.
05,1.
2
34,2
02,0.3
.
10cos
1
05,1
.3
2
34,2
2
2
3
====










d
I
d
U
x
e
do
U
d
IK
x
e
ba
S
U
d
IK .
05,1.
2
34,2
08,0.3
.
10cos.
3
05,1
.3
2
34,2
2
2

2
U V
do
U
==
Hệ số MBA :
02,1
7,214
220
2
1

ba
K ===
U
U
Dòng thứ cấp :
)(3868,472.
3
2
.
3
2

2
I A
d
I ===
Dòng sơ cấp : I
1

u
= 1,7
U
ng van
= 1,7. 526 =849(V)
* Dòng trung bình qua van :
I
tb van
= I
d
/3 =472,8/ 3 = 157,6 (A)
Dòng cho phép qua van :
I
cp
= K
i
.I
tbvan

Chọn K
i
= 1,6
I
cp
= 1,6 . 157,6 = 252,16 (A)
*Trên cơ sở các thông số U
ng van
và I
cp
ta chọn 6 Thyristor loai T15-100 với các

mỏt khong 25
0
C
3.4.2.Bảo vệ quá dòng
Do công nghệ chế tạo van bán dẫn phát triển nên khi chọn van ta đã chọn van
có dòng điện định mức lớn hơn nhiều so với dòng điện làm việc do đó có thể bỏ
qua sự quá dòng điện lâu dài .Vì vậy chúng ta chỉ cần xem xét các biện pháp
bảo vệ quá dòng ngắn hạn cho van bán dẫn nh trên hình và theo tính toán sau
đây:
*Dùng cầu chì bảo vệ:
Cầu chì dùng để chống sự cố ngắn mạch
1 Nhóm cc1: Đặt ở l ới điện có dòng định mức
2I
1CC
= 1,1.I
2
= 1,1.386 = 424,6 A
Chn 3 cu chỡ loi GSGB150
1 Nhóm cc2: Mắc nối tiếp van có dòng điện định mức
3I
2CC
= 1,1.I
tbvan
= 1,1. 157,6 = 173,36 A
Chn 6 cu chỡ loi GSGB75
17
1• Nhãm cc3: M¾c sau bé chØnh l u cã dßng ®Þnh møc −
4I
3CC
= 1,1.I

qt
= 1,5.I
lv
= 1,5. 387,5=581,25 A
Thi gian tác động phải nhỏ t 10 ms
Ta chn loi NS350N do hóng Mergin Gerin (Phỏp ) ch to
*Ngoài ra ng ời ta còn lắp thêm cầu dao để cách ly khi sửa chữa
Chn cầu dao có dòng điện định mức I
CD
=1,1 . I
1
=1,1 . 387,5 =426,25 A
Chn I
CD
= 500 A
3.4.3. Bo v quỏ ỏp cho van :
* Bảo vệ xung từ điện áp lới
Ta thực hiện bằng cách mắc mạch RC nh sau:

19
Chn theo kinh nghim : R
1p
= 20 ; C
1p
= 3F.
*Bảo vệ quá điện áp cho quá trình đóng cắt Tiristo
Ta thực hiện bằng cách mắc song song một mạch RC với Tiristo.

Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong lớp bán dẫn phóng ra
ngoài tạo thành dòng điện ng ợc trong khoảng their gian ngắn, sự biến thiên

Do đó ta cũng có 2 loại hệ điều khiển:
+Hệ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc (chỉnh lu,bộ BĐXA xuay chiều).
+Hệ điều khiển bộ biến đổi độc lập (nghịch lu đôc lập và BBĐXA 1 chiều)
cũng có thể chia hệ ĐK thành hệ điểu khiển tơng tự và hệ điều khiển số.
2.Yờu cu mch iu khin chnh lu :
Mạch điều khiển cho bộ nguồn lò nấu thép thuộc hệ điếu khiển bộ biến đổi
phụ thuộc.ở đây ta sử dụng mạch điểu khiển tơng tự. Những yêu cầu cần thực
hiện đối với mạch là:
Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha va với góc điều
khiển cần thiết.
Đảm bảo phạm vi góc điều khiển min ữ max tơng ứng với phạm vi
thay đổi điện áp ra tải của mạch lực.
Có độ đối xứng xung điều khiển tốt.không vợt quá 1ữ3 độ điện.
Đảm bảo cách ly tốt giữa mạch lực và mạch điều khiển.
Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lới điện xuay chiều
dao động cả về tần số và giá trị.
Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
Đảm bảo độ tác động của mạch điều khiển nhanh ,dới 1ms.
Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van phù hợp để mở chắc chắn
van , tức phải thoả mãn:
+ Đủ công suất : về điện áp và dòng điện điều khiển.
+ Có sờn xung dốc đứng để mở van vào đúng thời điểm qui định.
+ Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vợt trị số dòng
điện duy trì I
dt
của nó,để khi ngất xung van vẫn giữ trạng thái dẫn.
21
+ Xung có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lu và tính chất tải,
Do đó:
Lựa chọn xung điều khiển:

).
Tuy nhiên với dạng điện áp này có nhợc điểm là phụ thuộc vào lới
điện và bị nhiễu theo đờng nguồn. Nên thc tế ít dùng mà ngời ta
đồng
pha
điện
áp tựa
so sánh
và tạo
xung
KĐ
xung
Biến
tần
Tải
Bộ điều
chỉnh
U
đ
U
đk
U
ph
22
hay sử dụng điện áp tựa dạng răng ca có :
U
d
= U
do
.cos[ (1- U

U1
0
π
2π
3π
U2
U
v
U3
U4
α
α α
U5
U6
U7
U8
U9
α
α
α
α
U
dk
θ
θ
θ
θ
θ
θ
θ