Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Lò cảm ứng ( Lò trung tần nấu thép)
Thiết bị trung tần với tần số làm việc 500  10 0000 Hz ( Lò cảm ứng trung tần ). Đây là
lò trung gian giữa lò cảm ứng tần số công nghiệp và lò cảm ứng cao tần . Nhiệt độ cung
cấp cho lò để nấu chảy kim loại với tốc độ nhanh , thích hợp cho việc nấu luyện các loại
thép cacbon hoặc hoặc các loại thép hợp kim trung bình và cao. Thiết bị biến đổi tần số
của lò có thể sử dụng máy phát tần số kiểu quay hoặc dùng tiristor điều khiển.
1.1. Sơ đồ chức năng của lò cảm ứng dùng bộ biến tần

KĐK3
U = var

U = var

f = 50Hz
CL

CKL

NL

KĐK2

KĐCS

KĐK1

U,I,f

Lò

KNg

Hình 1.1. Sơ đồ khối chức năng của lò cảm ứng dùng bộ biến tần

Trong sơ đồ khối chức năng của lò cảm ứng trung tần dùng bộ biến tần gồm các khâu
chính sau:
- Mạch lực gồm các khâu:
+ CL – Bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng tyristor biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện
thành điện áp một chiều.
+ NL – Khâu nghịch lưu cộng hưởng biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều
cung cấp cho vòng cảm ứng của lò.

1


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

+ CKL – Khâu lọc điện áp một chiều dùng cuộn kháng lọc với với trị số điện cảm L khá
lớn ( vì bộ nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu là bộ nguồn dòng ).
+ Lò trung tần có vòng cảm ứng cuốn xung quanh nồi của lò và một bộ tụ điện.
- Mạch điều khiển gồm các khâu:
+ KNg – Khâu nguồn một chiều cung cấp cho tất cả các khâu trong mạch điều khiển.
+ KĐCS – Khâu điều chỉnh công suất tiêu thụ của lò cảm ứng.
+ KĐK - 2- Khâu điều khiển bộ chỉnh lưu.
+ KĐK - 1- Khâu điều khiển bộ nghịch lưu.
+ KĐK - 3- Khâu điều khiển công nghệ dùng rơle- công tắc tơ …. đo lường và bảo vệ.

1.2. Sơ đồ nguyên lý lò cảm ứng
Hiện nay chúng ta nhập rất nhiều lò trung tần nấu thép từ các nước khác nhau như :
Anh , Mỹ, Nga , Trung Quốc có các thông số công nghệ sau:
- Dung tích mỗi mẻ nấu từ 50 đến 2000 Kg.
- Công suất tiêu thụ định mức của lò từ 100kW đến 1200 kW.
Nhìn chung dù sản xuất khác nhau nhưng về cấu tạo , nguyên lý hoạt động sơ đồ khối
chức năng về cơ bản giống nhau.
Trên hình 2.2. là sơ đồ nguyên lý mạch lực lò trung tần nấu thép do Việt Nam lắp ráp.

2


Lò trung tần nấu thép
Các hệ thống điện tử điển hình

NCBA

62

6 5 4

68
69
70

LH1
7

LH2
64


LK1
8
65

LK2
LH3

R9

63

R8
RES2

67

R7
RES2

66

RES2

151

19

13


16

9 LK3

154
22

C1
R1

C4
R4

153

156

20

14

17

23

25

C5

21

C3 155

15

18
R2

C2

R5

152

R3

C6
R6

24

28

A1

A

V

29


219

V600

30

31

36

37

32

220

LD

L7

L8

R12
C8

R14
C10

221


222

30

33

34

35

36

H×nh 2.2 S¬ ®å nguyªn lý lß trung tÇn nÊu thÐp

L9

L10

R13
C9

R15
C11

B2

41

KW


V2

Hz

42

V2

54

55

CF1

34

LF

CF2

3


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

1.3 Lò cảm ứng trung tấn nấu thép gồm các phần tử chính sau:
1.3.1. Máy cắt - đựơc điều khiển đóng ngắt tự động nhờ một động cơ công suất nhỏ,
cũng có thể đóng ngắt trực tiếp bằng tay. Máy cắt được nối với nguồn điện áp xoay chiều

ba pha điện ap 380 V cung cấp điện cho mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.

Hình 1.3. Máy cắt

1.3.2 CK. Cuộn kháng xoay chiều lõi không khí có chức năng hạn chế dòng ngắn mạch
và hạn chế tóc độ tăng trưởng dòng điện bảo vệ các tiristor chỉnh lưu T- CL1  T- CL 6.

Hình 1.4. Cuộn kháng xoay chiều

1.3.3. Tyristor chỉnh lưu T- CL1  T- CL6 chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn
dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều ba pha thành nguồn điện áp một chiều.

4


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Hình 1.5. Thyristor chỉnh lưu

1.3.4. Cuộn kháng LD – cuộn kháng lọc có tác dụng san phẳng dòng điện một chiều có
giá trị điện cảm rất lớn. Mạch từ là mạch từ hở để tránh hiện tượng bão hòa. Cuộn kháng
một chiều có hai phần lớn , mỗi phần lớn lại gồm có năm vòng lớn và trong mỗi vòng lớn
lại gồm năm vòng nhỏ.

Hình 1.6. Cuộn kháng lọc một chiều

1.3.5. Tyristor nghịch lưu T-NL1  T- NL4 là bộ nghịch lưu công hưởng, nối theo sơ đồ
cầu một pha có tác dụng biến nguồn điện áp một chiều thành nguồn điện áp xoay chiều,

điện áp ra trên tải có dạng gần hình sin.

5


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Hình 1.7. Thyristor nghịch lưu

1.3.6. Vòng cảm ứng – là phụ tải của của bộ nghịch lưu cộng hưởng.Vì dòng qua vòng
cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25  30% 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  5 A/mm 2 . Còn làm mát
bằng nước chảy trong ống tiết diện tròn thì cho phép mật độ dòng điện lên tới 10  30
A/mm 2 .

Hình 1.8. Lò nấu kim loại

1.3.7. Tụ điện – được nối song song và nối tiếp với vòng cảm ứng để tạo thành mạch
vòng dao động. Tụ điện dùng trong sơ đồ của thiết bị gia nhiệt tần số nhằm làm chức

6


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép


năng phân ly dòng điện một chiều và bù hệ số công suất cos  của lò. Các tụ điện này
chịu được điện áp cao ( tới 1000 V ) và chịu được tần số cao ( tới 10kHz ) tùy theo từng
thiết bị gia nhiệt.
1.3.8. Dây dẫn cao tần
Dây dẫn cao tần có cảm kháng đặc biệt lớn do hiệu ứng bề mặt , hỗ cảm và chúng phụ
thuộc vào tấn số. Dây dẫn ở đây là các thanh cái phẳng , có ống rỗng có nước làm mát,
cáp đồng trục cao tần hay cáp một ruột hoặc nhiều ruột.
Cáp đồng trục có trở kháng và cảm kháng nhỏ so với các loại dây dẫn thông thường
nhưng nó có cấu tạo phức tạp và tốn vật liệu hơn.
Hiện nay đã có cáp chịu được điện áp 2000 V dòng điện 500A tần số 10000 kHz.
1.3.9. Bảng điều khiển - đựơc dùng để điều khiển các khâu như cấp nguồn một chiều
cung cấp cho tất cả các khâu trong bảng điều khiển , điều chỉnh công suất tiêu thụ trong lò
cảm ứng, điều khiển bộ chỉnh lưu , điều khiển bộ nghịch lưu, điều khiển công nghệ dùng
rơle – công tắc tơ đo lường và bảo vệ.

Hình 1.9. Bảng điều khiển

1.3.10. Các máy biến dòng cao - để biến đổi dòng điên cao từ 2000 ampe xuống dòng
điện 5 ampe.

7


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Hình 1.10.

Biến dòng cao


- Sơ đồ nguyên lý máy biến dòng:

S1
T1
I sc

I tc
n

I tc

R

T2

S1
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý máy biến dòng

Khi có dòng điện đi qua phía sơ cấp thì khi đó: Itc = Isc/n
Trong đó :
Isc : Dòng điện đi qua cuộn sơ cấp,
Itc : Dòng điện đi qua cuộn thứ cấp,
n : Tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp,
1.3.11. Các máy biến dòng hạ - để biến đổi dòng điên từ 5 ampe xuống dòng điện 0,2
ampe.
1.3.12. Aptômat : là áp tô mát có ba tiếp điểm được mắc trực tiếp vào mạng điện xoay
chiều ba pha điện áp 380 V. Có chức năng đóng cắt tự động khi quá tải hoặc ngắn mạch.
Cấp nguồn cho khởi động từ.


8


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Hình 1.12.

Aptomat

1.3.13. Khởi đông từ ( Công tắc tơ )
Là khí cụ điện dùng để đóng cắt thường xuyên mạch điện động lực từ xa , bằng
tay hoặc bằng tự động . Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng
nam châm điện , thủy lực hay khí nén gần đây người ta thường dùng loại đóng cắt bằng
nam châm điện Công tắc tơ có cấu tạo gồm hai cực , ở mỗi cực có hai tiếp điểm là tiếp
điểm chính ( tiếp điểm làm việc) và tiếp điểm dập hồ quang.

Hình 1.13 Khởi động từ

Khởi động từ được dùng ở đây để cấp nguồn cho máy biến áp và chống đóng điện trở
lại khi mất điện.
1.3.14. Mạch RC bảo vệ quá điện áp:

9


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép


- Tiristor rất nhậy cảm với điện áp quá cao so với điện áp định mức .
- Nguyên nhân gây ra hiện tượng quá áp là sự tích tụ điện tích trong các van bán dẫn, khi
khoá tiristor bằng điện áp ngược các điện tích trên đồi ngược
hành trình tạo nên dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên đột
ngột nhanh chóng của dòng điện ngược tạo ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các
điện cảm dẫn đến các tiristor xuất hiện quá áp.
- Để bảo vệ quá áp do tích tụ điện tích gây ra người ta dùng mạch RC ghép
song song với van. Trên hình là hai điện trở mắc nối tiếp và mắc nối tiếp với tụ điện C.

Hình 1.14.

1.3.15.

Mạch RC

Điện trở Shunt được dùng để đo dòng điện chỉnh lưu.

Hình 1.15. Điện trở shunt

1.3.16. Biến áp xung nghịch lưu dùng để phát xung điều khiển đóng mở các van nghịch
lưu.

10


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép


Hình 1.16.

1.3.17.

Biến áp xung nghịch lưu

Biến áp công suất có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện áp 1000 V về hai mức điện

áp 100 V và 20 V cấp cho đồng hồ đo và bảng điều khiển

Hình 1.17. Biến áp

1.3.18. Biến áp nguồn có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện một pha 220 V về điện áp 18 V
cấp cho bảng điều khiển

11


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Hình 1.18. Biến áp

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh , làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ ,
dùng để biến đổi hệ thống điện có điện áp U1( dòng điện I1 tần số f1 ) thành hệ thống có
điện áp U2 ( dòng điện I2 tần số f2 ) . ở máy biến áp việc đổi điện áp chỉ thực hiện được
khi dòng điện là xoay chiều hoặc dòng điện biến đổi xung . Máy biến áp được dùng trong
hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Ngoài ra máy biến áp cũng được dùng cho
một số yêu cầu như nối mạch chỉnh lưu và làm nguồn cấp cho lò điện … Máy biến áp có

một hoặc hai dây quấn đặt chung trên một mạch từ. Các dây nối có thể nối với nhau hoặc
không nối với nhau, khi chúng nối với nhau người ta gọi là máy biến áp tự ngẫu.

U2,f
U1 ,f
U3,f
Hình 1.19. Sơ đồ nguyên lý

*Ngoài ra còn Các đồng hồ đo điện áp, đo dòng điện, đo tần số , đo lưu lượng nước.
Bốn nút ấn hai nút ấn điều khiển hoạt động của động cơ của máy cắt. Hai nút ấn điều
khiển hoạt động của khơi động từ. Và biến trở.
1.4. Đặc điểm nguyên lý lò trung tần nấu thép phần chỉnh lưu

12


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Phần chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một
chiều. Thường là bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng gồm 6 diode hoặc 6 Thyristor có góc
mở  nhỏ do đó có ưu điểm là điện áp chỉnh lưu cao Ud = 2,34 U2 , hệ số đập mạch nhỏ,
có công suất đầu ra xấp xỉ công suất đầu vào S  1,05.Pd.
P

NCBA

T1


C1

T3

T5

C
R

R

R1

LH1 7

C

LK1
LK2

LH2

LH3

R7

R8

R9


RES2

RES2

RES2

V

LK3

T2

C
R

T4

C
R

T6

V600

C
R
A1

A
LD

Q

Hình 1.20. Sơ đồ nguyên lý lò trung tần nấu thép phần chỉnh lưu

13


Các hệ thống điện tử điển hình

Uf

Ua

Uc

Ub

t1

t3
t2

Ud

Lò trung tần nấu thép

t5
t4

t6


Uab Uac Ubc Uba Uca Ucb

iT1
iT3
iT5
iT2
iT4
iT6
id
uV1

Ungmax
Uab

Uac

Hình 1.21. Đồ thị dạng dòng điện , điện áp trên sơ đồ mạch chỉnh lưu.

14


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Phần chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu ba pha có điều khiển, các van điều khiển là các
thyristor. Mạnh chỉnh lưu được lấy nguồn từ nguồn điện áp xoay chiều ba pha điện áp 380
V. Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện áp xoay chiều ba pha thành nguồn
điện một chiều cung cấp cho mạch ngịch lưu. Ta có đồ thị như hình vẽ với góc điều khiển

 = 30 0

Dòng chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm
cần mở Tiristo chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anod
(+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình vẽ cần mở Tiristo T1 của
pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho
Tiristo T4 của pha B phía catod các thời điểm tiếp theo cũng tương tự. Cần chú ý rằng thứ
tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha.
Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ pha có điện áp
dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1  t2 pha A có điện áp dương
hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4 dòng điện dược chạy từ A về B.
Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của
nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau. Điều này có
thể thấy rõ trong khoảng t1  t3 như trên hình vẽ Tiristo T1 nhóm anod dẫn, nhưng trong
nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1  t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2  t3.
Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và
bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đường cong cuối cùng của
hình vẽ) trong khoảng t1  t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0, trong khoảng t3  t5 van T3 dẫn
lúc này T1 chịu điện áp ngược UBA, đến khoảng t5  t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp
ngược UCA.
Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc   600 và thành phần điện cảm của tải quá
nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn. Trong các trường hợp này dòng điện chạy từ pha này về
pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng, cho tới
khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có phân cực ngược nên chúng tự khoá.
Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng như đã nói trên là cần
phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó khăn khi chế tạo
vận hành và sửa chữa. Để đơn giản hơn người ta có thể sử dụng điều khiển không đối
xứng.

15



Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Trên đồ thị điện áp các pha ta biểu diễn quá trình điều khiển các van riêng rẽ cho các
thyristor nhóm catốt chung và nhóm anốt chung.
Đường bao phía trên của đường điện áp pha cho ta hình dạng thế của điểm ra tải P khi
van T1, T3, T5, được điều khiển với góc  so với các điểm chuyển mạch tự nhiên.
Đường bao phía dưới của các đường điện áp cho ta hình dạng thế của điểm ra tải Q
khi van T2, T4, T6, được điều khiển với góc  so với các điểm chuyển mạch tự nhiên.
Dạng thế của P và Q so với điểm trung tính của nguồn giống với dạng điện áp ra của
các chỉnh lưu 3 pha hình tia . Nếu đo điện áp giữa P và Q ta có được điện áp ra của chỉnh
lưu cầu 3 pha được biểu diễn trên hệ thống điện áp dây Uab, Uac, Ubc, ….
Với tải thuần trở dạng dòng điện trên tải lặp lại giống như dạng điện áp trên U d. Góc
giới hạn giữa dòng liên tục và dòng gián đoạn là 60 0 .
Nếu   60 0 thì dòng điện sẽ liên tục ta có công thức là:
Ud  = Ud0.cos  = 2,34 U2 cos  .
Nếu góc   60 0 thì dòng điên sẽ gián đoạn ta có công thức là:
Ud  =

3 6



0
U2 1  cos(  60 ) .

2


1.5. Đặc điểm nguyên lý lò trung tần nấu thép phần nghịch lưu
Nghịnh lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay
chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nguồn điện một
chiều ở đây được cung cấp bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển
Nghich lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành nguồn dòng xoay
chiều có tấn số tuỳ ý.
Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cung cấp cho bộ biến đổi
phải là nguồn dòng , do đó điện cảm đầu vào phải có giá trị lớn vô cùng để đảm bảo dòng
là liên tục.
* Ưu điểm:
- Mạch điều khiển đơn giản do quá trình chuyển mạch đơn giản và việc điều chỉnh công
suất của biến tần nguồn dòng chủ yếu được thực hiện phía chỉnh lưu.
- Thường được ứng dụng đối với lò công suất nhỏ vì vậy được sử dụng khá phổ biến.
* Nhược điểm :
- Do nguồn dòng không được hở mạch , do đó phải điều chỉnh công suất ở phía chỉnh lưu.
Vì vậy hệ số công suất truyền tải qua bộ chỉnh lưu thấp khi điều khiển sâu điện áp một

16


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

chiều .Điện áp van phụ thuộc vào điện áp trên tải nếu lò công suất lớn thì điện áp rất lớn
vì vậy nghịch lưu nguồn dòng không được cho lò công suất lớn.
Từ sơ đồ nghịch lưu dòng một pha ở trên ta thấy các tín hiệu điều khiển được đưa vào
từng đôi một tức là Tiristo T11,T13 thì lệch pha với với tín hiệu điều khiển đưa vào Tiristo
T12,T14 một góc 180 0 .

Điện cảm đầu vào của nghịch lưu đủ lớn ( Ld =  ) , do đó dòng điện đầu vào được
san phẳng , nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lưu có
dạng xung vuông.

17


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

iZ

+

iZ

Ld

KW
R

T11

R

T12

iZ


C

C

B2

LF

V2

L9

L7

V2

32

Hz

'+'
'-'

CF1

L10

L8

T14


R
C

T13

ic

CF2

R
C

Hình 1.22.

Sơ đồ nguyên lý lò phần ngịch lưu

18


Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

T
iN
Id

t


O

t

id

t
iC
t

iZ
t

i T1
i T2

t

U
T1
t
t1

t1'
tk

Hình 1.23. Biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha

19



Các hệ thống điện tử điển hình

Lò trung tần nấu thép

Khi đưa xung vào mở cặp van T11,T13 , dòng điện iN = id = Id . Đồng thời dòng qua tụ C
tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “ +” ở bên trái và dấu “ – “ ở bên
phảI . Khi tụ C nạp đầy dòng qua tụ giảm về không . Do iN = iC + iZ = Id = hắng số, nên lúc
đầu dòng qua tảI nhỏ và sau đó dòng qua tảI tăng lên. Sau một nửa chu kỳ ( t = t1 ) người
ta đưa xung vào mở cặp van T12,T14 . Cặp T12,T14 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ
C từ cực
“+” về cực “-“ . Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T11,T13 sẽ làm cho T11,T13 bị khoá
lại. Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp điện theo
chiều ngược lại với cực tính “+” ở bên phả và cực tính “-“ ở bên trái. Dòng iN = id = Id
nhưng đã ngược dấu .Đến thời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mở T11,T13 thì T12,T14 sẽ
bị khoá lại và quá trình được lặp lại như trước .ở thời điểm t1 , khi mở T12,T14 thì T11,T13
sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên . Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược
là cần thiết để duy trì quá trình khoá để phục hồi tính chất điều khiển của van.
 chính la góc khoá cua nghịch lưu.

Nguồn tài liệu tham khảo : />
20