基于大電流檢測(cè)的礦熱爐電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)*

張傳偉，王　瑀，邢　樂

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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基于大電流檢測(cè)的礦熱爐電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)*

張傳偉，王瑀，邢樂

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

闡述目前礦熱爐采用一次側(cè)電流平衡的控制策略來控制電極升降不足的問題，提出通過羅氏線圈檢測(cè)二次側(cè)大電流并以此作為控制對(duì)象的恒阻抗控制策略，針對(duì)該控制策略，設(shè)計(jì)基于大電流檢測(cè)的礦熱爐電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。采用三相綜合電量變送器PDM實(shí)時(shí)采集電爐變壓器一次側(cè)電壓、電流和二次側(cè)電壓等參數(shù)，采用羅氏線圈檢測(cè)系統(tǒng)采集二次側(cè)電流，硬件上采用工控機(jī)和西門子S7-300PLC相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，以Visual Basic 6.0為軟件開發(fā)平臺(tái)編制了控制系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行過程的監(jiān)督和控制，以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取和記錄。對(duì)于提高礦熱爐電極升降控制的準(zhǔn)確化、自動(dòng)化和智能化具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

礦熱爐；電極升降；羅氏線圈；控制系統(tǒng)

0　引　言

目前，國(guó)內(nèi)冶煉企業(yè)大都采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)電流平衡的控制策略來控制礦熱爐三相電極升降，當(dāng)?shù)V熱爐三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)，這一控制策略是可行的。但一般來說，因供電電網(wǎng)三相電壓不平衡、爐子短網(wǎng)長(zhǎng)度不一致、三相電極堆料不均勻等原因，電爐的三相負(fù)載總是不對(duì)稱的。即使在供電電網(wǎng)電壓對(duì)稱的情況下，也會(huì)因熔池中心點(diǎn)和系統(tǒng)中心點(diǎn)之間存在的電壓漂移，導(dǎo)致三相電極負(fù)載的電壓不等，這種情況下如果采用三相一次側(cè)電流平衡的方法來調(diào)節(jié)電極，會(huì)導(dǎo)致礦熱爐三相熔池得到的有功功率不平衡，則會(huì)加劇爐料熔化不均勻，使熔池電阻不等，進(jìn)一步導(dǎo)致三相電極工作端位置不對(duì)稱，從而影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，冶煉電耗量大大增加等缺點(diǎn)[1-2]。而采用以二次側(cè)電流為控制對(duì)象的恒阻抗控制策略來調(diào)節(jié)電極，可以克服上述弊端，很好地實(shí)現(xiàn)三相熔池功率平衡[3]，因此研究以變壓器二次側(cè)電流為控制對(duì)象的恒阻抗控制策略去調(diào)節(jié)礦熱爐電極升降的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1　羅氏線圈檢測(cè)三相二次側(cè)大電流

礦熱爐在冶煉期間，電爐變壓器二次側(cè)的電流高達(dá)幾萬安培甚至十幾萬安培，使得對(duì)礦熱爐二次側(cè)電流的檢測(cè)比較困難[4]。為了對(duì)二次側(cè)大電流進(jìn)行檢測(cè)，文中提供了一種礦熱爐二次側(cè)大電流檢測(cè)系統(tǒng)，主要用到的是羅氏線圈，羅氏線圈與普通電流互感器相比，具有抗電磁干擾性好、消除了磁飽和與鐵磁諧振、測(cè)量準(zhǔn)確度高、頻率響應(yīng)范圍寬、多功能、智能化、價(jià)格便宜、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。

羅氏線圈是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，測(cè)量電流的基本原理是安培環(huán)路定律和電磁感應(yīng)定律。羅氏線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可表示為[7-8]

(1)

式中M為空心線圈的互感系數(shù)。

從上式可以看出，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e(t)與被測(cè)電流i(t)成微分關(guān)系，因此只要在檢測(cè)系統(tǒng)中增加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，就可得到電爐變壓器二次側(cè)大電流的真實(shí)值。

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成框圖如圖1所示，R0為羅氏線圈的內(nèi)阻;L為羅氏線圈的自感系數(shù)；Rs為負(fù)載電阻；C1為羅氏線圈的匝間電容;u1(t)為羅氏線圈的輸出電壓。放大電路的作用是將獲得的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理；積分電路的作用是將放大之后的電壓信號(hào)進(jìn)行還原處理，獲取與被測(cè)電流直接相關(guān)的電壓信號(hào)；峰值采樣保持器的作用是將獲得的與被測(cè)電流直接相關(guān)的電壓信號(hào)的峰值取出來，并進(jìn)行保持處理；采集卡的作用是進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使獲得的峰值模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號(hào)，然后通過通信技術(shù)把數(shù)字量信號(hào)傳送至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的作用是接收采集卡傳送過來的數(shù)字量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、顯示與存儲(chǔ)。每次測(cè)量之前，必須清零。

圖1　二次側(cè)電流檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖Fig.1　Block diagram of secondary side current measuring system

當(dāng)1/ωC1?RS時(shí)，ic(t)≈0，i1(t)≈i2(t)=u1(t)/RS，由圖1可得

(2)

將(1)式代入(2)式得

(3)

(4)

(5)

因此，被測(cè)電流i(t)可以表示為

(6)

羅氏線圈安裝于礦熱爐變壓器低壓側(cè)出線端，假設(shè)變壓器低壓側(cè)出線端單側(cè)有8根銅管，每根銅管上安裝一個(gè)羅氏線圈，把每個(gè)羅氏線圈串聯(lián)起來并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行矢量求和。假設(shè)8根銅管上的電流信號(hào)為i1(t)，i2(t)，…，i8(t)，羅氏線圈輸出的電壓信號(hào)為u11(t)，u12(t)，…，u18(t)，則礦熱爐變壓器二次側(cè)電流值為

(7)

由于礦熱爐負(fù)載的非線性與時(shí)變性，使得礦熱爐變壓器二次側(cè)電流中諧波成分大[9-10]，通過羅氏線圈進(jìn)行二次側(cè)電流檢測(cè)時(shí)，在經(jīng)過積分器后被還原的電壓信號(hào)也自然具有相應(yīng)的諧波成分，因此無法直接對(duì)被還原的電壓信號(hào)進(jìn)行矢量求和，必須對(duì)每個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，分解出各次諧波再分別求和。

2　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括電極升降控制和電極壓放控制。電極升降控制的作用是調(diào)節(jié)電極一直工作在爐內(nèi)最佳位置，保持電極電流、熔池電阻等電量的恒定，實(shí)現(xiàn)三相熔池功率平衡，提高功率因數(shù)，該過程由變頻器驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)電極升降；電極在工作時(shí)會(huì)逐漸消耗而變短，這時(shí)要通過電極壓放控制來補(bǔ)充電極消耗的部分，使電極工作端的長(zhǎng)度一直保持在最佳狀態(tài)，該過程主要是通過一系列固定的工序來實(shí)現(xiàn)，主要由上抱閘、下抱閘、銅瓦和小立缸的配合來完成[11]。單相電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　單相電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure diagram of single-phase electrode lifting automatic control system

三相綜合電量變送器PDM1通過電壓、電流互感器進(jìn)行一次側(cè)電流和電壓的數(shù)據(jù)采集，三相綜合電量變送器PDM2直接進(jìn)行二次側(cè)電壓的數(shù)據(jù)采集，信號(hào)經(jīng)過PDM的智能處理之后由RS485/232轉(zhuǎn)換接口傳輸給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，利用羅氏線圈檢測(cè)系統(tǒng)采集二次側(cè)大電流，信號(hào)也傳輸給上位機(jī)，在上位機(jī)中顯示重要的電參數(shù)。當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，信號(hào)在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中根據(jù)控制策略進(jìn)行計(jì)算處理分析之后通過西門子S7-300PLC向變頻器發(fā)送控制指令，然后由變頻器驅(qū)動(dòng)交流力矩電機(jī)，使卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，來調(diào)節(jié)電極上升和下降；當(dāng)進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)，變頻器從系統(tǒng)中去除，人工手動(dòng)改變工頻電源接入卷揚(yáng)機(jī)的相序，相序的改變將改變交流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，達(dá)到調(diào)節(jié)電極升降的目的。

3　電極控制策略

目前，礦熱爐調(diào)節(jié)電極的控制策略主要包括恒電流控制策略、恒功率控制策略和恒阻抗控制策略[12]。大多數(shù)礦熱爐是采用恒阻抗控制策略[13]，它最大的優(yōu)點(diǎn)就是有利于系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定，使三相電極間的干擾明顯減少。

恒阻抗控制策略的控制原理為通過升降機(jī)構(gòu)改變?nèi)嚯姌O的位置，使三相操作電阻改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)三相電流大小和三相熔池功率的目的[11-12]。當(dāng)電極插入爐料的深度越淺，弧壓上升弧流下降阻抗就越大；當(dāng)電極插入爐料的深度越深，弧壓下降弧流上升阻抗就越小。礦熱爐單相等效電路圖如圖3所示，I1為A相一次側(cè)電流，U1為A相一次側(cè)電壓，I2為A相二次側(cè)電流，U2為A相二次側(cè)電壓，R1為設(shè)備的電阻，R2為操作電阻，WL為總感抗。

圖3　礦熱爐單相等效電路圖Fig.3　Single-phase equivalent circuit diagram of submerged arc furnace

圖4　恒阻抗控制策略實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.4　Flow chart of achieving constant impedance control strategy

已知礦熱爐的功率因數(shù)，爐料和爐體總功率為

(8)

所以可得R1+R2為

(9)

因?yàn)镽1與R2相比會(huì)很小，所以可以認(rèn)為R1趨近于0.那么每相電極的阻抗值為

(10)

通過公式(10)計(jì)算得到的阻抗值不是該相電極的真實(shí)阻抗值，只是用作控制三相電極平衡的依據(jù)。

憑人工經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)爐況和產(chǎn)品質(zhì)量可以總結(jié)出一個(gè)最佳二次側(cè)電流值和浮動(dòng)阻抗值ΔR.然后通過設(shè)定某一相的最佳二次側(cè)電流值以及三相綜合電量變送器采集得到的二次側(cè)電壓值就能根據(jù)公式(10)計(jì)算出該相的阻抗值，以這一相的阻抗值為基準(zhǔn)與采集和計(jì)算得到的其他兩相的阻抗值進(jìn)行對(duì)比來控制三相電極升降，使得每相的阻抗值在以設(shè)定值為基準(zhǔn)的范圍內(nèi)，這樣就能有效實(shí)現(xiàn)三相熔池功率的平衡?，F(xiàn)以設(shè)定A相的二次側(cè)電流值為例恒阻抗控制策略實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。

4　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用Windows7操作系統(tǒng)，選用VisualBasic6.0來編寫控制程序。VB6.0是面向?qū)ο蟮某绦蚧O(shè)計(jì)語言，其界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，代碼維護(hù)方便，具有結(jié)構(gòu)化、模塊化、可視化的特點(diǎn)，同時(shí)還提供了訪問數(shù)據(jù)庫以及存儲(chǔ)和檢索的功能?？刂葡到y(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5　Main program flow chart of control system

5　結(jié)　論

文中設(shè)計(jì)的基于大電流檢測(cè)的礦熱爐電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用三相綜合電量變送器PDM實(shí)時(shí)采集電爐變壓器一次側(cè)電壓、電流和二次側(cè)電壓等參數(shù)，采用羅氏線圈檢測(cè)系統(tǒng)采集二次側(cè)電流，提供了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取和記錄，為整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)電極的精確控制提供了硬件保證；上位計(jì)算機(jī)用于顯示、監(jiān)視，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)行過程的監(jiān)督和控制策略的實(shí)施，為整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)電極的精確控制提供了軟件保證。整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分散控制。

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Automatic control system for submerged arc furnace electrode lifting based on the large current detection

ZHANG Chuan-wei，WANG Yu，XING Le

(CollegeofMechanicalandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

ThispaperdescribesusingRogowskicoiltodetectlargecurrentontwosideofsubmergedarcfurnaceandwithlargecurrentontwosideascontrolobjectofconstantimpedancecontrolstrategy，whichcanavoidtheweaknessesofusingaprimarysidecurrentbalancecontrolstrategytocontroltheelectrodelifting.Forthecontrolstrategy，designoverallstructure，hardwareandsoftwareofautomaticcontrolsystemforsubmergedarcfurnaceelectrodeliftingbasedonthelargecurrentdetection.Withthedataforprimarysidevoltage，currentandsecondarysidevoltagearerealtimelycollectedforthesubmergedarcfurnacetransformerbythethree-phaseintegratedelectricalquantitytransducerPDM，andthesecondarysidecurrentiscollectedbyRogowskicoildetectionsystem.ThecontrolstructureofthecombinationofindustrialcontrolcomputerandSIEMENSS7-300PLCisadoptedinthehardware，andthecontrolsystemsoftwareiscompiledwithVisualBasic6.0asthesoftwaredevelopmentplatform，torealizethesupervisionandcontroloftheoperationprocess，aswellasthereal-timedatareadingandrecording.Thestudyhasimportanttheoreticalsignificanceandapplicationvaluetoimprovetheaccurate，automationandintelligentofsubmergedarcfurnaceelectrodeliftingcontrol.

submergedarcfurnace；electrodelifting；Rogowskicoil；controlsystem

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0323

1672-9315(2016)03-0440-05

2016-03-26責(zé)任編輯：李克永

陜西省教育廳服務(wù)地方專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目資助(15JF023)；西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(CXY1435(2))

張傳偉(1974-)，男，安徽淮南人，教授，博士，E-mail：sxdyzhang@163.com

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