变频式电弧炉电极自动调节器

1引言

电弧炼钢炉是利用电能来炼钢的，可是输入炉内的电功率大小是由三根电极位置来决定的，因此，对电弧炉操作系统而言，电极位置控制的准确性是关系到电炉钢各项经济指标高低的大问题。在过去的机械传动式电极调节系统中，绝大多数采用调节电动机定子电压的调压调速式，但是，由于交流电动机调压调速方式的机械特性太软，速度控制和位置控制很不准确，所以，实际上只能达到很粗糙的控制，这就极大地影响了炼钢质量和能耗指标。

本文所叙述的变频调速式电极自动调节器是通过改变异步电动机定子供电频率的方法来实现调速的。根据异步电动机的调速公式，电动机的转速n可写成：n=(1－S)=n0－Δn(1)

式中：f1为电动机定子电源频率；

P为电动机的极对数；

S为转差率；

n0为电动机同步转速。

显然，改变其定子频率即可改变同步转速n0和电机转速n。只要平滑的改变频率，就可得到转速的平滑调节。由于变频调速时，电动机始终运行在自然机械特性上，所以其转速落差小，调速精度高、效率高、调速范围宽，一般负载情况下，开环运行即可满足要求，调速范围可达100∶1以上。因此，变频调速式电极自动调节器是一种理想的和具有方向性的调节器。该调节系统方框图示于图1。

2信号检测及变换环节

炉子信号检测及变换环节包括弧流变换器、弧压变换器以及信号变换比较环节，如图2所示。

21信号检测

由电流互感器TA1检测的大电流信号，经由分流保护电阻R1分流，及经弧流信号变压器TA2进行信号隔离变换后，再经AC/DC变换，实现对大电流线路中的电弧电流进行高速、高精度的隔离检测，然后加至信号比较环节。电弧电压信号经变压器TV1隔离变换及分压电位器RP7调节后，再进行AC/DC变换，将电弧电压信号降低成比较回路所需要的电压值。

22信号比较环节

本调节器的信号比较环节，在电路结构上有重大改进，它摒弃了灵敏度差的电压比较电路，而采用了高灵敏度、高精度的电桥电路。其优点是：动作及返回

图1变频式电极调节系统方框图

图2信号检测及变换比较环节图

图3电桥式比较电路的等值电路 [p]

速度快，输出电压的交流分量小，传输特性的线性度好，且与负载大小无关。该比较电路的等值电路示于图3。从等值电路上可以看出，它与传统电路不同之点是：比例于弧流信号的II同比例于弧压信号的IV值在电桥的对角线负载RL电路内进行比较，依靠改变α值（相当于电位器R的旋转角度），来改变弧流设定值。根据图3等值电路，该环节的输入输出特性可由下列公式导出：

省去推导，可得：uab=〔(1－α)EI－αEV〕（5）

由于本调节器中的RLR，所以可写：

uab=uout=(1－α)EI－αEV(6)

式（6）给出了比例于弧流值的EI及比例于弧压值的EV，同比较环节输出电压uout之间的关系式。当需要改变弧流设定值时，只要改变α（即改变电位器R的滑动触点），uout即发生变化，经过调节器的调节作用，使电极位置发生变化，结果弧流得到改变，从式（6）可以清楚地看出，该环节输出电压uout只与弧流和弧压的信号差成正比，而与其他参量无关，从而证明了该环节理论上的正确性。电桥式比较电路还具有弧流整定范围宽〔因为两个桥臂同时向相反方向整定，现场测试数据竟达到（15～150）％Ie值，标准规定为（30～125）％Ie。〕，输入阻抗小的优点。后者特性非常宝贵，它可使前级电流互感器负载阻抗减小，经测试，它将前级大电流互感器TA1的负载阻抗降为原来的1/3，即小于0.8Ω，这就使弧流控制和显示准确度显著提高，这也是调节器调节精度提高的原因之一。

3变频式电极调节器的关键部件——高性能变频器

为了使异步电动机供电频率可变，自然需要一套变频电源。但在过去，采用旋转变频机组或离子变频器作为变频电源，设备庞大，可靠性差。随着大功率电力电子器件及变流技术的发展，特别是大功率IGBT的工业应用，使变频器上升到一个新的台阶。目前，采用IGBT作为逆变器的变频器型号很多，我们选用日本富士电机公司生产的FRN5000G11S型高性能低噪声变频器（图4中U1），属VVVF型，就是说在调频的同时还要调压。这是由于异步电动机的外加电压近似地同频率和磁通的乘积成正比，即

U1≈C1f1迹7）

图4变频调速器及其外部连线图

图5铁磁体空心转子涡流分布图

式中：C1为电机常数，由此有≈(8)

所以，若外加电压不变，则磁通随频率的改变而改变。如果频率从额定值（50Hz）往下降低，磁通会增加，最后会造成磁路过饱和，励磁电流大大增加，铁心过热，这是不允许的，为此要在降频的同时还要降压，这就要求频率和电压同时改变，且要协调控制。

图4中，U1为变频器，M1为铁磁体空心转子异步力矩电机，FM1为冷却风机、1PV5为模拟量频率设定电压表、1SA1为自动－手动切换用转换开关、1RP11为手动控制设定频率电位器、K11为交流电源接触器。

在电弧炉电极调节器中引入变频器之后，其调节性能和指标明显改善，主要有以下几方面：

——低速特性得到改善，由于逆变器采用矢量控制，实现了转矩与磁通的解耦，逆变器输出频率和形成转矩是由其内部CPU完成的，即使在很低频率下，也能以15倍额定转矩启动电机。

——高速有了保障，由于逆变器能够提供高于50Hz频率的电源，电机在短时间内可高于其额定转速运转，使电弧炉电极同炉料短路时或塌料时，电极能够快速提升。该特性很宝贵，能减少短路持续时间、延长变压器寿命及节省电能。

——通过加速时间、减速时间、制动量和制动时间的设置，使调节器真正达到启动、制动快，我们实测数为0.15s，并且停止定位准确。频率控制精度为±02％。

——电弧炉是一个十分强烈的电磁干扰源，为了保证调节器可靠地运行，对整个系统，从逆变器到外围电路，从输入到输出，从印刷电路板工艺设计到机架布线，从电源到接地系统都分别采取了抗干扰措施。变频器本身又有电磁屏蔽，光电隔离，高低频滤波，数字滤波，程序运行监视，软硬件冗余等技术措施。强有力的抗干扰措施使该调节器能够安全可靠地运行。 [p]