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。

2?1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。

2?2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

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RL?R，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?（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1?5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±0?2％。

——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。

4变频式电极调节器的独特执行元件——空心转子式异步电动机

随着电磁场理论的不断发展和完善及新型铁磁材料的开发，近年来，已开发出调速性能优异的交流异步电动机，其中具有代表性的当推铁磁体空心转子式异步力矩变频电机。从工作原理来看，空心转子异步电机所遵循的也是法拉第电磁感应定律，与普通迭片式转子异步电机没有什么区别，不同之点只在于转子绕组形态和转子磁路结构。迭片式转子采取电路和磁路分离的形式；而铁磁体空心转子采取电路和磁路合为一体，采用铁镍铜合金制成整体式空心转子，它既导磁又导电，既是磁路又是电路。当定子绕组通进三相交流电之后，产生的旋转磁场穿过转子体中，并在其中感生二次电流，此电流与鼠笼式转子中的电流不同，因为在园筒状空心转子中，无固定的电流回路可资闭合，所以具有涡流性质，如图5所示。该涡流同旋转磁场相互作用所产生的电磁转矩，构成了空心转子异步力矩电机的工作基础。转子结构的这一改变，就使得该种电机非常适合于作为频繁起、制动的变频式电极自动调节器的执行元件。因为它具有可贵的过渡过程时间短的优点。众所周知，在电气传动系统中，特别是在频繁起、制动的电弧炉电极自动调节系统中，执行元件本身的机械过渡过程时间长短起着非常重要的作用，因为执行环节的过渡过程时间通常占整个系统过渡过程时间的90％左右。而对控制电弧长度的电极自动调节器的要求，主要是动态指标，即响应时间要短，因为电弧长度在熔化期只有几厘米，如果驱动电极的电动机的惯性太大，即起、制动都很慢，则势必造成经常拉断电弧的缺陷，这既延长了熔化时间，又浪费了大量电能。这是电炉炼钢的致命要害。

为了使调节器连续稳定地运行，使电弧连续不断地燃烧，必须选用过渡过程时间短的执行元件，铁磁体空心转子异步力矩电机恰好能满足这一要求。因其转子结构为薄壁长套筒形空心结构，如图6所示。这种结构的理论依据是基于其转子电流渗透深度浅的缘故。因为电磁波在铁磁体介质内衰减非常快，一般有效渗透深度，即电磁波实际消失处的深度不超过1cm～2cm。可见，转子材料的集肤效应相当强烈，电磁场高度集中在靠近转子表面薄薄一层的环形体中，因此，转子中间部分实无存在的必要，这就给制造薄壁长套筒形空心转子结构提供了理论基础，给频繁起、制动的电弧炉电极自动调节器提供了有利的条件和高指标的保证。相反，鼠笼形转子在选择转子轴向长度和转子直径关系时，往往受最少槽数的限制，有它的局限性。

一种能使手机、电脑等智能电子信息产品更加小型集成化的新型片式化变压器将在我国实现规模化生产。年产1000万片的片型多层式压电陶瓷变压器生产线日前在西安正式开发建设，这标志着中国将成为继日本之后能规模生产这种变压器的国家。

由清华大学和陕西康鸿信息技术公司联合开发的这种变压器，属于第三代智能化变压器，其厚度仅1.5mm～2.5mm，体积仅是传统变压器的1/3，具有能量转换率高、体积小、无电磁干扰等特点。

图6薄壁长套筒形转子结构

铁磁体空心转子异步力矩电机除了具有上述独特的电气特性外，在机械方面还具有机械强度高（整体结构）、结构简单（无碳刷、无换向器、无滑环）、维修容易，可靠性高。另外由于空心转子本身光滑无齿槽，在机械和电磁方面均具有非常好的平衡性，起动转矩不因定子与转子的相对位置而异，起动转矩大，起动电流小，无振动，噪音低。

5变频式电极调节器的调节过程

5?1点弧

因为变频器不允许通过主回路直接启动运行，所以先启动变频器，后合高压真空开关，使电极下降。当首根电极触及炉料时，弧压信号为零，此时弧流也为零，首根电极停止下降；当第二根或第三根电极触及炉料后，迅速产生工作短路电流，相应相电极升起，当电极电流都到了设定电流时，电极停止升降，电弧稳定燃烧。

5?2小偏差信号时的调节过程

当弧流偏离设定值时，系统根据偏差信号的极性与幅值大小确定电极升降方向和速度，此时根据PID调节规律工作，当弧流大于设定值时，电极缓慢上升；当弧流小于设定值时，电极缓慢下降，系统的非作用区可调整，通常在100％Ie之内。

5?3大偏差信号时的调节过程

当弧流偏离设定值过大时（比如大于1?8Ie时），如发生塌料或电极短路时，电极快速上升，此时调节器工作在快速上升区域；而当某相断弧时，电极快速下降，此时调节器工作在快速下降区域。

5?4手动控制升降电极

在运行中，当需要人工干予时，可操作手动升降开关，使三相电极同时提升或下降，或某相电极上升或下降。

5?5弧流设定值面板设定

在运行中，可在线修改电流设定值，升降速度参数，以及非作用区参数等。

6结语

在电弧炉电极自动调节器中引入了高性能变频器及空心转子异步电动机后，其调节性能明显改善，主要表现在：

——低速特性得到改善，即使在极低频率下，也能以1?5倍额定转矩启动电机；

——高速有了保证，在电极发生工作短路时，能以极快速提升电极；

——调节器的控制精度得到提高，可达±0?2％；

——由于引进了空心转子异步电机及变频器实行再生制动，过渡过程时间小于0.15s；

——VVVF调速特性是使异步电机一直工作在自然机械特性上，故在调速过程中，没有转差损耗，所以传动效率高、调速范围宽和调速精度高。

我们采用的富士变频器、台安变频器及华为变频器配西安华兴电炉有限公司研制的该种调节器，都取得了良好应用效果。