變頻式電弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器

1引言

電弧煉鋼爐是利用電能來煉鋼的，可是輸入爐內(nèi)的電功率大小是由三根電極位置來決定的，因此，對電弧爐操作系統(tǒng)而言，電極位置控制的準(zhǔn)確性是關(guān)系到電爐鋼各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高低的大問題。在過去的機(jī)械傳動(dòng)式電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)采用調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓的調(diào)壓調(diào)速式，但是，由于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速方式的機(jī)械特性太軟，速度控制和位置控制很不準(zhǔn)確，所以，實(shí)際上只能達(dá)到很粗糙的控制，這就極大地影響了煉鋼質(zhì)量和能耗指標(biāo)。

本文所敘述的變頻調(diào)速式電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器是通過改變異步電動(dòng)機(jī)定子供電頻率的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速公式，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n可寫成：n=(1－S)=n0－Δn(1)

式中：f1為電動(dòng)機(jī)定子電源頻率；

P為電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)；

S為轉(zhuǎn)差率；

n0為電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速。

顯然，改變其定子頻率即可改變同步轉(zhuǎn)速n0和電機(jī)轉(zhuǎn)速n。只要平滑的改變頻率，就可得到轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。由于變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在自然機(jī)械特性上，所以其轉(zhuǎn)速落差小，調(diào)速精度高、效率高、調(diào)速范圍寬，一般負(fù)載情況下，開環(huán)運(yùn)行即可滿足要求，調(diào)速范圍可達(dá)100∶1以上。因此，變頻調(diào)速式電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器是一種理想的和具有方向性的調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖示于圖1。

2信號檢測及變換環(huán)節(jié)

爐子信號檢測及變換環(huán)節(jié)包括弧流變換器、弧壓變換器以及信號變換比較環(huán)節(jié)，如圖2所示。

2?1信號檢測

由電流互感器TA1檢測的大電流信號，經(jīng)由分流保護(hù)電阻R1分流，及經(jīng)弧流信號變壓器TA2進(jìn)行信號隔離變換后，再經(jīng)AC/DC變換，實(shí)現(xiàn)對大電流線路中的電弧電流進(jìn)行高速、高精度的隔離檢測，然后加至信號比較環(huán)節(jié)。電弧電壓信號經(jīng)變壓器TV1隔離變換及分壓電位器RP7調(diào)節(jié)后，再進(jìn)行AC/DC變換，將電弧電壓信號降低成比較回路所需要的電壓值。

2?2信號比較環(huán)節(jié)

本調(diào)節(jié)器的信號比較環(huán)節(jié)，在電路結(jié)構(gòu)上有重大改進(jìn)，它摒棄了靈敏度差的電壓比較電路，而采用了高靈敏度、高精度的電橋電路。其優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)作及返回

圖1變頻式電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖

圖2信號檢測及變換比較環(huán)節(jié)圖

圖3電橋式比較電路的等值電路

速度快，輸出電壓的交流分量小，傳輸特性的線性度好，且與負(fù)載大小無關(guān)。該比較電路的等值電路示于圖3。從等值電路上可以看出，它與傳統(tǒng)電路不同之點(diǎn)是：比例于弧流信號的II同比例于弧壓信號的IV值在電橋的對角線負(fù)載RL電路內(nèi)進(jìn)行比較，依靠改變?chǔ)林担ㄏ喈?dāng)于電位器R的旋轉(zhuǎn)角度），來改變弧流設(shè)定值。根據(jù)圖3等值電路，該環(huán)節(jié)的輸入輸出特性可由下列公式導(dǎo)出：

省去推導(dǎo)，可得：uab=〔(1－α)EI－αEV〕（5）

由于本調(diào)節(jié)器中的RL?R，所以可寫：

uab=uout=(1－α)EI－αEV(6)

式（6）給出了比例于弧流值的EI及比例于弧壓值的EV，同比較環(huán)節(jié)輸出電壓uout之間的關(guān)系式。當(dāng)需要改變弧流設(shè)定值時(shí)，只要改變?chǔ)粒锤淖冸娢黄鱎的滑動(dòng)觸點(diǎn)），uout即發(fā)生變化，經(jīng)過調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使電極位置發(fā)生變化，結(jié)果弧流得到改變，從式（6）可以清楚地看出，該環(huán)節(jié)輸出電壓uout只與弧流和弧壓的信號差成正比，而與其他參量無關(guān)，從而證明了該環(huán)節(jié)理論上的正確性。電橋式比較電路還具有弧流整定范圍寬〔因?yàn)閮蓚€(gè)橋臂同時(shí)向相反方向整定，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)竟達(dá)到（15～150）％Ie值，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為（30～125）％Ie?！?，輸入阻抗小的優(yōu)點(diǎn)。后者特性非常寶貴，它可使前級電流互感器負(fù)載阻抗減小，經(jīng)測試，它將前級大電流互感器TA1的負(fù)載阻抗降為原來的1/3，即小于0.8Ω，這就使弧流控制和顯示準(zhǔn)確度顯著提高，這也是調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)精度提高的原因之一。

3變頻式電極調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵部件——高性能變頻器

為了使異步電動(dòng)機(jī)供電頻率可變，自然需要一套變頻電源。但在過去，采用旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組或離子變頻器作為變頻電源，設(shè)備龐大，可靠性差。隨著大功率電力電子器件及變流技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率IGBT的工業(yè)應(yīng)用，使變頻器上升到一個(gè)新的臺(tái)階。目前，采用IGBT作為逆變器的變頻器型號很多，我們選用日本富士電機(jī)公司生產(chǎn)的FRN5000G11S型高性能低噪聲變頻器（圖4中U1），屬VVVF型，就是說在調(diào)頻的同時(shí)還要調(diào)壓。這是由于異步電動(dòng)機(jī)的外加電壓近似地同頻率和磁通的乘積成正比，即

U1≈C1f1?（7）

圖4變頻調(diào)速器及其外部連線圖

圖5鐵磁體空心轉(zhuǎn)子渦流分布圖

式中：C1為電機(jī)常數(shù)，由此有?≈(8)

所以，若外加電壓不變，則磁通隨頻率的改變而改變。如果頻率從額定值（50Hz）往下降低，磁通會(huì)增加，最后會(huì)造成磁路過飽和，勵(lì)磁電流大大增加，鐵心過熱，這是不允許的，為此要在降頻的同時(shí)還要降壓，這就要求頻率和電壓同時(shí)改變，且要協(xié)調(diào)控制。

圖4中，U1為變頻器，M1為鐵磁體空心轉(zhuǎn)子異步力矩電機(jī)，F(xiàn)M1為冷卻風(fēng)機(jī)、1PV5為模擬量頻率設(shè)定電壓表、1SA1為自動(dòng)－手動(dòng)切換用轉(zhuǎn)換開關(guān)、1RP11為手動(dòng)控制設(shè)定頻率電位器、K11為交流電源接觸器。

在電弧爐電極調(diào)節(jié)器中引入變頻器之后，其調(diào)節(jié)性能和指標(biāo)明顯改善，主要有以下幾方面：

——低速特性得到改善，由于逆變器采用矢量控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁通的解耦，逆變器輸出頻率和形成轉(zhuǎn)矩是由其內(nèi)部CPU完成的，即使在很低頻率下，也能以1?5倍額定轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)電機(jī)。

——高速有了保障，由于逆變器能夠提供高于50Hz頻率的電源，電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)可高于其額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，使電弧爐電極同爐料短路時(shí)或塌料時(shí)，電極能夠快速提升。該特性很寶貴，能減少短路持續(xù)時(shí)間、延長變壓器壽命及節(jié)省電能。

——通過加速時(shí)間、減速時(shí)間、制動(dòng)量和制動(dòng)時(shí)間的設(shè)置，使調(diào)節(jié)器真正達(dá)到啟動(dòng)、制動(dòng)快，我們實(shí)測數(shù)為0.15s，并且停止定位準(zhǔn)確。頻率控制精度為±0?2％。

——電弧爐是一個(gè)十分強(qiáng)烈的電磁干擾源，為了保證調(diào)節(jié)器可靠地運(yùn)行，對整個(gè)系統(tǒng)，從逆變器到外圍電路，從輸入到輸出，從印刷電路板工藝設(shè)計(jì)到機(jī)架布線，從電源到接地系統(tǒng)都分別采取了抗干擾措施。變頻器本身又有電磁屏蔽，光電隔離，高低頻濾波，數(shù)字濾波，程序運(yùn)行監(jiān)視，軟硬件冗余等技術(shù)措施。強(qiáng)有力的抗干擾措施使該調(diào)節(jié)器能夠安全可靠地運(yùn)行。

4變頻式電極調(diào)節(jié)器的獨(dú)特執(zhí)行元件——空心轉(zhuǎn)子式異步電動(dòng)機(jī)

隨著電磁場理論的不斷發(fā)展和完善及新型鐵磁材料的開發(fā)，近年來，已開發(fā)出調(diào)速性能優(yōu)異的交流異步電動(dòng)機(jī)，其中具有代表性的當(dāng)推鐵磁體空心轉(zhuǎn)子式異步力矩變頻電機(jī)。從工作原理來看，空心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)所遵循的也是法拉第電磁感應(yīng)定律，與普通迭片式轉(zhuǎn)子異步電機(jī)沒有什么區(qū)別，不同之點(diǎn)只在于轉(zhuǎn)子繞組形態(tài)和轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。迭片式轉(zhuǎn)子采取電路和磁路分離的形式；而鐵磁體空心轉(zhuǎn)子采取電路和磁路合為一體，采用鐵鎳銅合金制成整體式空心轉(zhuǎn)子，它既導(dǎo)磁又導(dǎo)電，既是磁路又是電路。當(dāng)定子繞組通進(jìn)三相交流電之后，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場穿過轉(zhuǎn)子體中，并在其中感生二次電流，此電流與鼠籠式轉(zhuǎn)子中的電流不同，因?yàn)樵趫@筒狀空心轉(zhuǎn)子中，無固定的電流回路可資閉合，所以具有渦流性質(zhì)，如圖5所示。該渦流同旋轉(zhuǎn)磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，構(gòu)成了空心轉(zhuǎn)子異步力矩電機(jī)的工作基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的這一改變，就使得該種電機(jī)非常適合于作為頻繁起、制動(dòng)的變頻式電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器的執(zhí)行元件。因?yàn)樗哂锌少F的過渡過程時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。眾所周知，在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，特別是在頻繁起、制動(dòng)的電弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，執(zhí)行元件本身的機(jī)械過渡過程時(shí)間長短起著非常重要的作用，因?yàn)閳?zhí)行環(huán)節(jié)的過渡過程時(shí)間通常占整個(gè)系統(tǒng)過渡過程時(shí)間的90％左右。而對控制電弧長度的電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器的要求，主要是動(dòng)態(tài)指標(biāo)，即響應(yīng)時(shí)間要短，因?yàn)殡娀￠L度在熔化期只有幾厘米，如果驅(qū)動(dòng)電極的電動(dòng)機(jī)的慣性太大，即起、制動(dòng)都很慢，則勢必造成經(jīng)常拉斷電弧的缺陷，這既延長了熔化時(shí)間，又浪費(fèi)了大量電能。這是電爐煉鋼的致命要害。

為了使調(diào)節(jié)器連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，使電弧連續(xù)不斷地燃燒，必須選用過渡過程時(shí)間短的執(zhí)行元件，鐵磁體空心轉(zhuǎn)子異步力矩電機(jī)恰好能滿足這一要求。因其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為薄壁長套筒形空心結(jié)構(gòu)，如圖6所示。這種結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)是基于其轉(zhuǎn)子電流滲透深度淺的緣故。因?yàn)殡姶挪ㄔ阼F磁體介質(zhì)內(nèi)衰減非?？?，一般有效滲透深度，即電磁波實(shí)際消失處的深度不超過1cm～2cm?？梢?，轉(zhuǎn)子材料的集膚效應(yīng)相當(dāng)強(qiáng)烈，電磁場高度集中在靠近轉(zhuǎn)子表面薄薄一層的環(huán)形體中，因此，轉(zhuǎn)子中間部分實(shí)無存在的必要，這就給制造薄壁長套筒形空心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)，給頻繁起、制動(dòng)的電弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器提供了有利的條件和高指標(biāo)的保證。相反，鼠籠形轉(zhuǎn)子在選擇轉(zhuǎn)子軸向長度和轉(zhuǎn)子直徑關(guān)系時(shí)，往往受最少槽數(shù)的限制，有它的局限性。

一種能使手機(jī)、電腦等智能電子信息產(chǎn)品更加小型集成化的新型片式化變壓器將在我國實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。年產(chǎn)1000萬片的片型多層式壓電陶瓷變壓器生產(chǎn)線日前在西安正式開發(fā)建設(shè)，這標(biāo)志著中國將成為繼日本之后能規(guī)模生產(chǎn)這種變壓器的國家。

由清華大學(xué)和陜西康鴻信息技術(shù)公司聯(lián)合開發(fā)的這種變壓器，屬于第三代智能化變壓器，其厚度僅1.5mm～2.5mm，體積僅是傳統(tǒng)變壓器的1/3，具有能量轉(zhuǎn)換率高、體積小、無電磁干擾等特點(diǎn)。

圖6薄壁長套筒形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

鐵磁體空心轉(zhuǎn)子異步力矩電機(jī)除了具有上述獨(dú)特的電氣特性外，在機(jī)械方面還具有機(jī)械強(qiáng)度高（整體結(jié)構(gòu)）、結(jié)構(gòu)簡單（無碳刷、無換向器、無滑環(huán)）、維修容易，可靠性高。另外由于空心轉(zhuǎn)子本身光滑無齒槽，在機(jī)械和電磁方面均具有非常好的平衡性，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不因定子與轉(zhuǎn)子的相對位置而異，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，無振動(dòng)，噪音低。

5變頻式電極調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程

5?1點(diǎn)弧

因?yàn)樽冾l器不允許通過主回路直接啟動(dòng)運(yùn)行，所以先啟動(dòng)變頻器，后合高壓真空開關(guān)，使電極下降。當(dāng)首根電極觸及爐料時(shí)，弧壓信號為零，此時(shí)弧流也為零，首根電極停止下降；當(dāng)?shù)诙虻谌姌O觸及爐料后，迅速產(chǎn)生工作短路電流，相應(yīng)相電極升起，當(dāng)電極電流都到了設(shè)定電流時(shí)，電極停止升降，電弧穩(wěn)定燃燒。

5?2小偏差信號時(shí)的調(diào)節(jié)過程

當(dāng)弧流偏離設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)偏差信號的極性與幅值大小確定電極升降方向和速度，此時(shí)根據(jù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律工作，當(dāng)弧流大于設(shè)定值時(shí)，電極緩慢上升；當(dāng)弧流小于設(shè)定值時(shí)，電極緩慢下降，系統(tǒng)的非作用區(qū)可調(diào)整，通常在100％Ie之內(nèi)。

5?3大偏差信號時(shí)的調(diào)節(jié)過程

當(dāng)弧流偏離設(shè)定值過大時(shí)（比如大于1?8Ie時(shí)），如發(fā)生塌料或電極短路時(shí)，電極快速上升，此時(shí)調(diào)節(jié)器工作在快速上升區(qū)域；而當(dāng)某相斷弧時(shí)，電極快速下降，此時(shí)調(diào)節(jié)器工作在快速下降區(qū)域。

5?4手動(dòng)控制升降電極

在運(yùn)行中，當(dāng)需要人工干予時(shí)，可操作手動(dòng)升降開關(guān)，使三相電極同時(shí)提升或下降，或某相電極上升或下降。

5?5弧流設(shè)定值面板設(shè)定

在運(yùn)行中，可在線修改電流設(shè)定值，升降速度參數(shù)，以及非作用區(qū)參數(shù)等。

6結(jié)語

在電弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器中引入了高性能變頻器及空心轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)后，其調(diào)節(jié)性能明顯改善，主要表現(xiàn)在：

——低速特性得到改善，即使在極低頻率下，也能以1?5倍額定轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)電機(jī)；

——高速有了保證，在電極發(fā)生工作短路時(shí)，能以極快速提升電極；

——調(diào)節(jié)器的控制精度得到提高，可達(dá)±0?2％；

——由于引進(jìn)了空心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)及變頻器實(shí)行再生制動(dòng)，過渡過程時(shí)間小于0.15s；

——VVVF調(diào)速特性是使異步電機(jī)一直工作在自然機(jī)械特性上，故在調(diào)速過程中，沒有轉(zhuǎn)差損耗，所以傳動(dòng)效率高、調(diào)速范圍寬和調(diào)速精度高。

我們采用的富士變頻器、臺(tái)安變頻器及華為變頻器配西安華興電爐有限公司研制的該種調(diào)節(jié)器，都取得了良好應(yīng)用效果。