直流电弧炉电极升降控制系统的问题分析及改进

1概述

直流炼钢电弧炉在冶炼过程中，其初始熔化、熔化、氧化和还原各个阶段对供电制度(即电压、电流的大小)有着不同的要求，以求节能降耗、提高工效、达到最佳技术经济指标。

与交流炼钢电弧炉的控制方式不一样，直流电弧炉的弧压(即电弧电压)和弧流(即电弧电流)的大小是由两套完全独立的调节系统分别控制的，弧压和弧流可以线性地分别独立地进行自动调节，以满足冶炼工艺对供电的要求。

弧流调节系统以晶闸管整流器作为调节对象，电弧电流自动闭环稳流调节器控制晶闸管整流器直流输出电流，有静态情况下，自动稳流系统可以保持弧流恒定不变。在有效控制范围内，弧压的变化不会引起弧流随之而变，这样就为独立调节弧长和弧压创造了条件。

直流电弧炉在冶炼过程中，电极升降控制系统以电极定位机构为控制对象，其主要作用是调节电弧弧柱的长度(即弧长)。根据有关文献资料分析，电弧电压Va和电弧长度la之间近似地存在着以下关系：

Va=kala

式中ka=0.6～1.1V/mm称之为电弧电压梯度，弧压梯度大小的变化取决于炉内的气氛。相对于弧流和弧压的变化速度而言，认为ka值的变化十分缓慢，可近似地看作常数。由此可见，弧压与弧长成近似的线性关系。调节弧长的长短相当于调节弧压的高低。当弧流恒定不变时，调节弧长也相当于调节电弧功率的大小。因电弧功率Pa=IaVa。所以，电极升降控制系统性能的好坏直接影响电功率的输入和电炉的运行状态。

2存在的主要问题和原因分析

甘肃华藏冶金集团特殊钢厂两台标称容量为5吨的直流炼钢电弧炉于1997年开始投入试运行，投运后发现电极升降控制系统工作不正常，存在的问题主要表现为：

(1)运行不稳定，电极窜动频繁、持续时间长，电炉不能连续稳定地获得有效的电弧功率输入;

(2)弧压低，在交流电压最高的第五档，弧压(直流)值也只能达到250V左右，严重地限制了电弧功率的提高，变压器网侧功率因数也相对较低;

(3)弧压调节范围小，实际弧压值不是跟随给定弧压值线性地变化。控制性能不能满足冶炼工艺的要求,不能准确地将弧压稳定在给定的值上;

图1原调节器基本原理图

图2弧压和转速双闭环调节器基本原理图

(4)电路故障率高，经常停电检修，调整或更换元器件，严重影响生产。

根据试运行过程中所出现的问题，经过仔细的现场观察和对控制电路系统的认真分析，认为发生以上问题的主要原因有以下几个方面：[page]

(1)仍沿袭交流电弧炉的控制概念，存在概念不清的问题。以弧压给定和弧压反馈信号之差值作速度调节器之给定，未设差值放大环节。原调节器电路图如图1所示，是原有的电极升降调节器的基本电路原理图。由图可见，该电路中没有设电弧电压调节环节，反馈的弧压信号Uf经4N2组成的比例放大器进行比例系数变换之后直接与给定电位器输出的弧压给定信号Ug进行串联比较，比较的结果产生的差值信号直接作为速度闭环调节器的给定。比较差值信号没有进行放大，二者之间的静差太大，使得反馈与给定之间不可能有很好的跟随性能。从而导致弧压调节范围小，不能准确地将弧压稳定在所给定的值上，而且限制了弧压的提高。即使在最高电压档(AC250V)，弧压(直流)也只能在250V左右来回摆动。同时，也导致变压器网侧功率因数偏低。

(2)电路设计方面存在的问题较多。控制板上控制电源采用单相整流电路，稳压器输入端没有足够容量的电容器进行滤波。导致控制电源，尤其是主电源上的纹波成分相当严重，直接干扰电路正常工作。

输入调节器的反馈信号和给定信号电路，都没有设置必要的滤波环节对信号进行滤波。信号上叠加的瞬态干扰信号容易导致电路工作不稳定。

从调节器上引出到操作台去的来回连接线太多，这些外引线在传输信号的同时也会将环境中的电磁干扰信号引入控制电路。作为长距离弱信号传输线，设计时应考虑采取一些必要的隔离，滤波和保护措施，原电路设计中都没有予以足够的重视。速度调节器输出信号没有设限幅电路，导致触发器移相范围的上、下限不固定，容易漂移，致使送到力矩电机的电压不对称。

主电路采用半控式晶闸管和二极管模块，虽可以降低部分成本和减少部分触发单元，但不容易保证交流调压电路输出的电压波形完全对称。电压波形不对称对电动机的运转性能影响是不可忽视的。

控制电路中元器件参数选择不尽合理，各参数之间不匹配。由于参数不匹配，导致电路的性能无法得到保证，甚至使其工作性质都发生了变化，致使元器件损坏现象严重。

(3)元器件和制作方面的质量问题也比较突出，故障隐患多。控制板上的部分元器件参数经过反复调节整定和频繁的更换，使得电路板上存在很多的脱焊、虚焊、隐性短接和插接点接触不良等现象，影响电路板可靠、稳定的工作。

3技术改进措施和运行效果

针对上述存在的问题和原因分析，在原有基础上，根据现有条件对电极升降控制系统作了部分改进，具体改进措施和运行效果如下：

(1)调节器的改进

原有系统中只有一个速度调节器，是一个单闭环系统，电弧电压反馈信号仅仅作为一个扰动信号在系统中起作用。考虑到电极升降控制系统的最终控制目标是稳定弧压，应该对弧压进行闭环调节控制。设置一个自动闭环的弧压调节器作外环，将速度调节器作内环。改进后的内、外环调节器基本原理图如图2所示。由图2可见，改进后的调节器是一个由弧压调节器和转速调节器组成的典型的双闭环调节器系统。将弧压给定和弧压反馈信号由串联比较改为并联比较，将两组公共点没有连通的+15V、-15V电源的公共点连通。

(2)更换、调整部分元器件及其参数

为了适应控制电路的整体要求，除调整控制电路的电路结构之外，对电路中部分元器件进行了更换，或调整其参数，以满足系统的基本要求。

弧压调节器按大惯性调节器设定元器件参数，其静态放大倍数设定在3～6倍之间，以提高实际弧压与给定弧压之间的跟踪性能，同时减少二者之间的静态差值。

转速调节器按小惯性调节器选配元器件参数，以提高力矩电机动作的灵敏度。其静态放大倍数控制在3～5倍范围内。

在现有条件下对电路板进行重新修复，尽量减少因制作质量问题带来的故障隐患。

(3)运行效果

电极升降控制系统经过上述两个方面的改进和重新修复后，于1998年10月份投入系统使用。从使用情况看，改造的基本目的完全达到了，这主要表现在:

①电极窜动现象明显减少。除因个别轻薄炉料在熔化中引起一些窜动之外，一般情况下不会发生明显的窜动现象，能够保持连续稳定地供电，对加快熔化速度产生了明显的效果。

②最高电压档的弧压电压(直流)有明显的提高，由原来的250V左右提高到300V左右，并且能够将弧压比较准确地稳定在给定值上，这样就可以连续稳定地将电弧功率由3500kW提高到4200kW，提高约20%，电弧功率的提高对加快冶炼速度、缩短冶炼时间具有明显的作用。

③电弧电压能够比较好地跟随给定弧压。其有效调节范围和线性性都能满足冶炼工艺的要求，为获得最佳技术经济指标创造了条件。力矩电动机损坏次数明显减少。

尽管取得了以上三个方面的效果，但由于该系统的设计和制作存在先天不足，电路工作的稳定性仍不十分理想，元器件损坏的现象仍时有发生。

4结语

直流电弧炉电极升降控制方法有别于交流电弧炉电极控制方法，应该设计成转速调节为内环、弧压调节为外环的双闭环系统。电路中元器件参数的选取极为重要，必要的保护措施也必不可少。制作质量的好坏直接影响设备的可靠性和正常运行。作为成套供应商应选择专业厂家定制此类关键设备。