變頻式電弧爐電極自動調節器

1引言

電弧煉鋼爐是利用電能來煉鋼的，可是輸入爐內的電功率大小是由三根電極位置來決定的，因此，對電弧爐操作系統而言，電極位置控制的準確性是關系到電爐鋼各項經濟指標高低的大問題。在過去的機械傳動式電極調節系統中，絕大多數采用調節電動機定子電壓的調壓調速式，但是，由于交流電動機調壓調速方式的機械特性太軟，速度控制和位置控制很不準確，所以，實際上只能達到很粗糙的控制，這就極大地影響了煉鋼質量和能耗指標。

本文所敘述的變頻調速式電極自動調節器是通過改變異步電動機定子供電頻率的方法來實現調速的。根據異步電動機的調速公式，電動機的轉速n可寫成：n=(1－S)=n0－Δn(1)

式中：f1為電動機定子電源頻率；

P為電動機的極對數；

S為轉差率；

n0為電動機同步轉速。

顯然，改變其定子頻率即可改變同步轉速n0和電機轉速n。只要平滑的改變頻率，就可得到轉速的平滑調節。由于變頻調速時，電動機始終運行在自然機械特性上，所以其轉速落差小，調速精度高、效率高、調速范圍寬，一般負載情況下，開環運行即可滿足要求，調速范圍可達100∶1以上。因此，變頻調速式電極自動調節器是一種理想的和具有方向性的調節器。該調節系統方框圖示于圖1。

2信號檢測及變換環節

爐子信號檢測及變換環節包括弧流變換器、弧壓變換器以及信號變換比較環節，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，經由分流保護電阻R1分流，及經弧流信號變壓器TA2進行信號隔離變換后，再經AC/DC變換，實現對大電流線路中的電弧電流進行高速、高精度的隔離檢測，然后加至信號比較環節。電弧電壓信號經變壓器TV1隔離變換及分壓電位器RP7調節后，再進行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信號比較環節

本調節器的信號比較環節，在電路結構上有重大改進，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。其優點是：動作及返回

圖1變頻式電極調節系統方框圖

圖2信號檢測及變換比較環節圖

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，且與負載大小無關。該比較電路的等值電路示于圖3。從等值電路上可以看出，它與傳統電路不同之點是：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載RL電路內進行比較，依靠改變α值（相當于電位器R的旋轉角度），來改變弧流設定值。根據圖3等值電路，該環節的輸入輸出特性可由下列公式導出：

省去推導，可得：uab=〔(1－α)EI－αEV〕（5）

由于本調節器中的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，同比較環節輸出電壓uout之間的關系式。當需要改變弧流設定值時，只要改變α（即改變電位器R的滑動觸點），uout即發生變化，經過調節器的調節作用，使電極位置發生變化，結果弧流得到改變，從式（6）可以清楚地看出，該環節輸出電壓uout只與弧流和弧壓的信號差成正比，而與其他參量無關，從而證明了該環節理論上的正確性。電橋式比較電路還具有弧流整定范圍寬〔因為兩個橋臂同時向相反方向整定，現場測試數據竟達到（15～150）％Ie值，標準規定為（30～125）％Ie。〕，輸入阻抗小的優點。后者特性非常寶貴，它可使前級電流互感器負載阻抗減小，經測試，它將前級大電流互感器TA1的負載阻抗降為原來的1/3，即小于0.8Ω，這就使弧流控制和顯示準確度顯著提高，這也是調節器調節精度提高的原因之一。

3變頻式電極調節器的關鍵部件——高性能變頻器

為了使異步電動機供電頻率可變，自然需要一套變頻電源。但在過去，采用旋轉變頻機組或離子變頻器作為變頻電源，設備龐大，可靠性差。隨著大功率電力電子器件及變流技術的發展，特別是大功率IGBT的工業應用，使變頻器上升到一個新的臺階。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公司生產的FRN5000G11S型高性能低噪聲變頻器（圖4中U1），屬VVVF型，就是說在調頻的同時還要調壓。這是由于異步電動機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變頻調速器及其外部連線圖

圖5鐵磁體空心轉子渦流分布圖

式中：C1為電機常數，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，磁通會增加，最后會造成磁路過飽和，勵磁電流大大增加，鐵心過熱，這是不允許的，為此要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率和電壓同時改變，且要協調控制。

圖4中，U1為變頻器，M1為鐵磁體空心轉子異步力矩電機，FM1為冷卻風機、1PV5為模擬量頻率設定電壓表、1SA1為自動－手動切換用轉換開關、1RP11為手動控制設定頻率電位器、K11為交流電源接觸器。

在電弧爐電極調節器中引入變頻器之后，其調節性能和指標明顯改善，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，實現了轉矩與磁通的解耦，逆變器輸出頻率和形成轉矩是由其內部CPU完成的，即使在很低頻率下，也能以1?5倍額定轉矩啟動電機。

——高速有了保障，由于逆變器能夠提供高于50Hz頻率的電源，電機在短時間內可高于其額定轉速運轉，使電弧爐電極同爐料短路時或塌料時，電極能夠快速提升。該特性很寶貴，能減少短路持續時間、延長變壓器壽命及節省電能。

——通過加速時間、減速時間、制動量和制動時間的設置，使調節器真正達到啟動、制動快，我們實測數為0.15s，并且停止定位準確。頻率控制精度為±0?2％。

——電弧爐是一個十分強烈的電磁干擾源，為了保證調節器可靠地運行，對整個系統，從逆變器到外圍電路，從輸入到輸出，從印刷電路板工藝設計到機架布線，從電源到接地系統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，數字濾波，程序運行監視，軟硬件冗余等技術措施。強有力的抗干擾措施使該調節器能夠安全可靠地運行。

4變頻式電極調節器的獨特執行元件——空心轉子式異步電動機

隨著電磁場理論的不斷發展和完善及新型鐵磁材料的開發，近年來，已開發出調速性能優異的交流異步電動機，其中具有代表性的當推鐵磁體空心轉子式異步力矩變頻電機。從工作原理來看，空心轉子異步電機所遵循的也是法拉第電磁感應定律，與普通迭片式轉子異步電機沒有什么區別，不同之點只在于轉子繞組形態和轉子磁路結構。迭片式轉子采取電路和磁路分離的形式；而鐵磁體空心轉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子，它既導磁又導電，既是磁路又是電路。當定子繞組通進三相交流電之后，產生的旋轉磁場穿過轉子體中，并在其中感生二次電流，此電流與鼠籠式轉子中的電流不同，因為在園筒狀空心轉子中，無固定的電流回路可資閉合，所以具有渦流性質，如圖5所示。該渦流同旋轉磁場相互作用所產生的電磁轉矩，構成了空心轉子異步力矩電機的工作基礎。轉子結構的這一改變，就使得該種電機非常適合于作為頻繁起、制動的變頻式電極自動調節器的執行元件。因為它具有可貴的過渡過程時間短的優點。眾所周知，在電氣傳動系統中，特別是在頻繁起、制動的電弧爐電極自動調節系統中，執行元件本身的機械過渡過程時間長短起著非常重要的作用，因為執行環節的過渡過程時間通常占整個系統過渡過程時間的90％左右。而對控制電弧長度的電極自動調節器的要求，主要是動態指標，即響應時間要短，因為電弧長度在熔化期只有幾厘米，如果驅動電極的電動機的慣性太大，即起、制動都很慢，則勢必造成經常拉斷電弧的缺陷，這既延長了熔化時間，又浪費了大量電能。這是電爐煉鋼的致命要害。

為了使調節器連續穩定地運行，使電弧連續不斷地燃燒，必須選用過渡過程時間短的執行元件，鐵磁體空心轉子異步力矩電機恰好能滿足這一要求。因其轉子結構為薄壁長套筒形空心結構，如圖6所示。這種結構的理論依據是基于其轉子電流滲透深度淺的緣故。因為電磁波在鐵磁體介質內衰減非常快，一般有效滲透深度，即電磁波實際消失處的深度不超過1cm～2cm。可見，轉子材料的集膚效應相當強烈，電磁場高度集中在靠近轉子表面薄薄一層的環形體中，因此，轉子中間部分實無存在的必要，這就給制造薄壁長套筒形空心轉子結構提供了理論基礎，給頻繁起、制動的電弧爐電極自動調節器提供了有利的條件和高指標的保證。相反，鼠籠形轉子在選擇轉子軸向長度和轉子直徑關系時，往往受最少槽數的限制，有它的局限性。

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

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

圖6薄壁長套筒形轉子結構

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

5變頻式電極調節器的調節過程

5?1點弧

因為變頻器不允許通過主回路直接啟動運行，所以先啟動變頻器，后合高壓真空開關，使電極下降。當首根電極觸及爐料時，弧壓信號為零，此時弧流也為零，首根電極停止下降；當第二根或第三根電極觸及爐料后，迅速產生工作短路電流，相應相電極升起，當電極電流都到了設定電流時，電極停止升降，電弧穩定燃燒。

5?2小偏差信號時的調節過程

當弧流偏離設定值時，系統根據偏差信號的極性與幅值大小確定電極升降方向和速度，此時根據PID調節規律工作，當弧流大于設定值時，電極緩慢上升；當弧流小于設定值時，電極緩慢下降，系統的非作用區可調整，通常在100％Ie之內。

5?3大偏差信號時的調節過程

當弧流偏離設定值過大時（比如大于1?8Ie時），如發生塌料或電極短路時，電極快速上升，此時調節器工作在快速上升區域；而當某相斷弧時，電極快速下降，此時調節器工作在快速下降區域。

5?4手動控制升降電極

在運行中，當需要人工干予時，可操作手動升降開關，使三相電極同時提升或下降，或某相電極上升或下降。

5?5弧流設定值面板設定

在運行中，可在線修改電流設定值，升降速度參數，以及非作用區參數等。

6結語

在電弧爐電極自動調節器中引入了高性能變頻器及空心轉子異步電動機后，其調節性能明顯改善，主要表現在：

——低速特性得到改善，即使在極低頻率下，也能以1?5倍額定轉矩啟動電機；

——高速有了保證，在電極發生工作短路時，能以極快速提升電極；

——調節器的控制精度得到提高，可達±0?2％；

——由于引進了空心轉子異步電機及變頻器實行再生制動，過渡過程時間小于0.15s；

——VVVF調速特性是使異步電機一直工作在自然機械特性上，故在調速過程中，沒有轉差損耗，所以傳動效率高、調速范圍寬和調速精度高。

我們采用的富士變頻器、臺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節器，都取得了良好應用效果。