直流電弧爐電極升降控制系統的問題分析與技術改進

1概述

直流煉鋼電弧爐在冶煉過程中，其初始熔化、熔化、氧化和還原各個階段對供電制度（即電壓、電流的大小）有著不同的要求，以求節能降耗、提高工效、達到最佳技術經濟指標。

與交流煉鋼電弧爐的控制方式不一樣，直流電弧爐的弧壓（即電弧電壓）和弧流（即電弧電流）的大小是由兩套完全獨立的調節系統分別控制的，弧壓和弧流可以線性地分別獨立地進行自動調節，以滿足冶煉工藝對供電的要求。

弧流調節系統以晶閘管整流器作為調節對象，電弧電流自動閉環穩流調節器控制晶閘管整流器直流輸出電流，有靜態情況下，自動穩流系統可以保持弧流恒定不變。在有效控制范圍內，弧壓的變化不會引起弧流隨之而變，這樣就為獨立調節弧長和弧壓創造了條件。

直流電弧爐在冶煉過程中，電極升降控制系統以電極定位機構為控制對象，其主要作用是調節電弧弧柱的長度（即弧長）。根據有關文獻資料分析，電弧電壓Va和電弧長度la之間近似地存在著以下關系：

Va=kala

式中ka=0.6～1.1V/mm稱之為電弧電壓梯度，弧壓梯度大小的變化取決于爐內的氣氛。相對于弧流和弧壓的變化速度而言，認為ka值的變化十分緩慢，可近似地看作常數。由此可見，弧壓與弧長成近似的線性關系。調節弧長的長短相當于調節弧壓的高低。當弧流恒定不變時，調節弧長也相當于調節電弧功率的大小。因電弧功率Pa=IaVa。所以，電極升降控制系統性能的好壞直接影響電功率的輸入和電爐的運行狀態。

2存在的主要問題和原因分析

甘肅華藏冶金集團特殊鋼廠兩臺標稱容量為5噸的直流煉鋼電弧爐于1997年開始投入試運行，投運后發現電極升降控制系統工作不正常，存在的問題主要表現為：

（1）運行不穩定，電極竄動頻繁、持續時間長，電爐不能連續穩定地獲得有效的電弧功率輸入；

（2）弧壓低，在交流電壓最高的第五檔，弧壓（直流）值也只能達到250V左右，嚴重地限制了電弧功率的提高，變壓器網側功率因數也相對較低；

（3）弧壓調節范圍小，實際弧壓值不是跟隨給定弧壓值線性地變化。控制性能不能滿足冶煉工藝的要求,不能準確地將弧壓穩定在給定的值上；

圖1原調節器基本原理圖

圖2弧壓和轉速雙閉環調節器基本原理圖

（4）電路故障率高，經常停電檢修，調整或更換元器件，嚴重影響生產。

根據試運行過程中所出現的問題，經過仔細的現場觀察和對控制電路系統的認真分析，認為發生以上問題的主要原因有以下幾個方面：

（1）仍沿襲交流電弧爐的控制概念，存在概念不清的問題。以弧壓給定和弧壓反饋信號之差值作速度調節器之給定，未設差值放大環節。原調節器電路圖如圖1所示，是原有的電極升降調節器的基本電路原理圖。由圖可見，該電路中沒有設電弧電壓調節環節，反饋的弧壓信號Uf經4N2組成的比例放大器進行比例系數變換之后直接與給定電位器輸出的弧壓給定信號Ug進行串聯比較，比較的結果產生的差值信號直接作為速度閉環調節器的給定。比較差值信號沒有進行放大，二者之間的靜差太大，使得反饋與給定之間不可能有很好的跟隨性能。從而導致弧壓調節范圍小，不能準確地將弧壓穩定在所給定的值上，而且限制了弧壓的提高。即使在最高電壓檔（AC250V），弧壓（直流）也只能在250V左右來回擺動。同時，也導致變壓器網側功率因數偏低。

（2）電路設計方面存在的問題較多。控制板上控制電源采用單相整流電路，穩壓器輸入端沒有足夠容量的電容器進行濾波。導致控制電源，尤其是主電源上的紋波成分相當嚴重，直接干擾電路正常工作。

輸入調節器的反饋信號和給定信號電路，都沒有設置必要的濾波環節對信號進行濾波。信號上疊加的瞬態干擾信號容易導致電路工作不穩定。

從調節器上引出到操作臺去的來回連接線太多，這些外引線在傳輸信號的同時也會將環境中的電磁干擾信號引入控制電路。作為長距離弱信號傳輸線，設計時應考慮采取一些必要的隔離，濾波和保護措施，原電路設計中都沒有予以足夠的重視。速度調節器輸出信號沒有設限幅電路，導致觸發器移相范圍的上、下限不固定，容易漂移，致使送到力矩電機的電壓不對稱。

主電路采用半控式晶閘管和二極管模塊，雖可以降低部分成本和減少部分觸發單元，但不容易保證交流調壓電路輸出的電壓波形完全對稱。電壓波形不對稱對電動機的運轉性能影響是不可忽視的。

控制電路中元器件參數選擇不盡合理，各參數之間不匹配。由于參數不匹配，導致電路的性能無法得到保證，甚至使其工作性質都發生了變化，致使元器件損壞現象嚴重。

（3）元器件和制作方面的質量問題也比較突出，故障隱患多。控制板上的部分元器件參數經過反復調節整定和頻繁的更換，使得電路板上存在很多的脫焊、虛焊、隱性短接和插接點接觸不良等現象，影響電路板可靠、穩定的工作。

3技術改進措施和運行效果

針對上述存在的問題和原因分析，在原有基礎上，根據現有條件對電極升降控制系統作了部分改進，具體改進措施和運行效果如下：

（1）調節器的改進

原有系統中只有一個速度調節器，是一個單閉環系統，電弧電壓反饋信號僅僅作為一個擾動信號在系統中起作用。考慮到電極升降控制系統的最終控制目標是穩定弧壓，應該對弧壓進行閉環調節控制。設置一個自動閉環的弧壓調節器作外環，將速度調節器作內環。改進后的內、外環調節器基本原理圖如圖2所示。由圖2可見，改進后的調節器是一個由弧壓調節器和轉速調節器組成的典型的雙閉環調節器系統。將弧壓給定和弧壓反饋信號由串聯比較改為并聯比較，將兩組公共點沒有連通的＋15V、－15V電源的公共點連通。

（2）更換、調整部分元器件及其參數

為了適應控制電路的整體要求，除調整控制電路的電路結構之外，對電路中部分元器件進行了更換，或調整其參數，以滿足系統的基本要求。

弧壓調節器按大慣性調節器設定元器件參數，其靜態放大倍數設定在3～6倍之間，以提高實際弧壓與給定弧壓之間的跟蹤性能，同時減少二者之間的靜態差值。

轉速調節器按小慣性調節器選配元器件參數，以提高力矩電機動作的靈敏度。其靜態放大倍數控制在3～5倍范圍內。

在現有條件下對電路板進行重新修復，盡量減少因制作質量問題帶來的故障隱患。

（3）運行效果

電極升降控制系統經過上述兩個方面的改進和重新修復后，于1998年10月份投入系統使用。從使用情況看，改造的基本目的完全達到了，這主要表現在:

①電極竄動現象明顯減少。除因個別輕薄爐料在熔化中引起一些竄動之外，一般情況下不會發生明顯的竄動現象，能夠保持連續穩定地供電，對加快熔化速度產生了明顯的效果。

②最高電壓檔的弧壓電壓（直流）有明顯的提高，由原來的250V左右提高到300V左右，并且能夠將弧壓比較準確地穩定在給定值上，這樣就可以連續穩定地將電弧功率由3500kW提高到4200kW，提高約20％，電弧功率的提高對加快冶煉速度、縮短冶煉時間具有明顯的作用。

③電弧電壓能夠比較好地跟隨給定弧壓。其有效調節范圍和線性性都能滿足冶煉工藝的要求，為獲得最佳技術經濟指標創造了條件。力矩電動機損壞次數明顯減少。

盡管取得了以上三個方面的效果，但由于該系統的設計和制作存在先天不足，電路工作的穩定性仍不十分理想，元器件損壞的現象仍時有發生。

4結語

直流電弧爐電極升降控制方法有別于交流電弧爐電極控制方法，應該設計成轉速調節為內環、弧壓調節為外環的雙閉環系統。電路中元器件參數的選取極為重要，必要的保護措施也必不可少。制作質量的好壞直接影響設備的可靠性和正常運行。作為成套供應商應選擇專業廠家定制此類關鍵設備。