LF鋼包精煉爐電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用

宋文學(xué)　王志春　劉躍

摘 要：本文介紹的LF鋼包精煉爐電極調(diào)節(jié)器以PLC作為核心，配套相應(yīng)的硬件檢測(cè)，軟件編程等，該系統(tǒng)運(yùn)用恒阻抗控制的理念對(duì)電極進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)器；電極；恒阻抗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.027

1 概述

本文優(yōu)化改造前LF鋼包精煉爐的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)為恒阻抗控制。調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備雖然一直在運(yùn)行，但性能較差，其系統(tǒng)存在以下幾大問(wèn)題：

（1）現(xiàn)有電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，理論上是阻抗方式的閉環(huán) PID控制器，其實(shí)際控制效果較差；

（2）弧壓信號(hào)采集的實(shí)際接地系統(tǒng)不規(guī)范，直接影響了反饋信號(hào)的變化量，發(fā)生了信號(hào)量的偏移；

（3）測(cè)量信號(hào)變送（轉(zhuǎn)換）器在有諧波環(huán)境下，導(dǎo)致反饋信號(hào)的跟蹤誤差大；

（4）系統(tǒng)雖然為 PID 調(diào)節(jié)，從通電到停電的冶煉全過(guò)程，三根電極不同程度系統(tǒng)振蕩。

（5）系統(tǒng)實(shí)際沒(méi)有進(jìn)行功率圓的計(jì)算，調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒(méi)有運(yùn)行在功率圓圖上的最佳工作點(diǎn)。

（6）三根電極立柱及比例閥的固有特性是不同的，特別現(xiàn)有的 A相比例閥調(diào)整產(chǎn)生了偏移，使其特性發(fā)生了變化。

現(xiàn)有的調(diào)節(jié)系統(tǒng)其控制方式為虛設(shè)、調(diào)節(jié)特性極差、電極振蕩明顯，功率因數(shù)偏低，無(wú)功損耗偏大。

電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化主要采用阻抗控制方式，三個(gè)獨(dú)立的阻抗控制器疊加一個(gè)過(guò)電流控制器，增加短路智能響應(yīng)，阻抗工作點(diǎn)和短路值等參數(shù)設(shè)定。

2 調(diào)節(jié)器的硬件配置

2.1 控制系統(tǒng)的核心設(shè)備

一套調(diào)節(jié)系統(tǒng)PLC，帶有相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入輸出模板，用于電流、電壓信號(hào)的輸入，液壓閥值的輸出以及相關(guān)開(kāi)關(guān)量的輸入輸出。電極升降調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)需要設(shè)定的所有參數(shù)都可以在HMI的畫(huà)面上方便的進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)然參數(shù)修改設(shè)置將有口令保護(hù)，不同的參數(shù)修改需要對(duì)應(yīng)不同的權(quán)限。三個(gè)獨(dú)立的阻抗控制器的比例系數(shù)可以自動(dòng)調(diào)整，均采用PI 控制算法，完成三個(gè)電極阻抗的獨(dú)自自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 電壓測(cè)量方法

電弧電壓的檢測(cè)從變壓器的二次側(cè)接入電壓檢測(cè)箱，通過(guò)定制的電壓互感器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電壓互感器的中性點(diǎn)設(shè)置在鋼包車(chē)四個(gè)車(chē)輪與鋼軌接觸四點(diǎn)的交叉中心點(diǎn)，經(jīng)單獨(dú)的電纜接入到電壓檢測(cè)箱。

2.2.2 電流測(cè)量方法

通過(guò)變壓器原邊設(shè)置的電流轉(zhuǎn)換器可測(cè)得的變壓器的一次側(cè)電流，通過(guò)電流變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入到電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3 電極調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軟件編程優(yōu)化

3.1 阻抗計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)的理論控制計(jì)算應(yīng)用“功率圓圖”的工具，來(lái)計(jì)算LF鋼包精煉爐的變壓器各檔位下的最佳工作點(diǎn)（圖2）。

這些數(shù)值在上圖以圖形化方式顯示出來(lái)，圓圖中顯示了各個(gè)工作點(diǎn)的的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)，電弧長(zhǎng)度以及電極電流之間的相互關(guān)系。

一個(gè)操作點(diǎn)只能處于一個(gè)變壓器的抽頭曲線上，要改變到另一個(gè)變壓器的抽頭曲線上，就通過(guò)變壓器的分接開(kāi)關(guān)切換變壓器檔位。根據(jù)功率因數(shù)曲線和功率曲線交叉點(diǎn)確定某一個(gè)抽頭圓線上的操作點(diǎn)，不同的工作點(diǎn)組合在一起，就可變成特性曲線。可以從6個(gè)這樣的特性曲線中選出最佳操作點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置來(lái)適應(yīng)不同的操作條件。通過(guò)計(jì)算得出的阻抗設(shè)定值輸入預(yù)置的數(shù)據(jù)庫(kù)，崗位操作人員可以在不用改變控制程序的快速切換預(yù)置阻抗設(shè)置參數(shù)。

3.2 點(diǎn)弧程序

點(diǎn)弧階段電弧過(guò)長(zhǎng)極易造成三相電源的不平衡，所以在點(diǎn)弧過(guò)程中，應(yīng)設(shè)置分步的控制速度力求迅速點(diǎn)弧成功進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)三相電流為零，三相電壓為定值時(shí)，此時(shí)可以較快的速度下降電極。當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，改為慢速自動(dòng)調(diào)節(jié)，間隔時(shí)間由限位開(kāi)關(guān)及下降速度求出。

電極不接觸熔池，在這種情況下，幾乎所有的相都能測(cè)量相同的相電壓，并且假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)的絕緣是相同的。雖然與熔池不接觸，也能測(cè)量電壓。

當(dāng)A相電極下降接觸熔池，短路并輸出一個(gè)大致為零伏的電壓，其他兩相的電壓提升到變壓器的三角形電壓，三相都沒(méi)有電流，停止了A相電極的下降動(dòng)作；B相電極接觸熔池，兩個(gè)電極產(chǎn)生短路電流，兩個(gè)電極微微提升；三相電極稍微下降直到有電流產(chǎn)生，當(dāng)三相弧流達(dá)到預(yù)設(shè)的門(mén)檻值時(shí)點(diǎn)弧完成，電極調(diào)節(jié)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)。

3.3 液壓閥特性曲線

電極的速度曲線歸根結(jié)底就是液壓閥的特性曲線，其線性系數(shù)、死區(qū)、零點(diǎn)偏置三個(gè)參數(shù)對(duì)電極調(diào)節(jié)器的性能至關(guān)重要。

大多數(shù)液壓伺服閥均存在死區(qū)，伺服閥在中性點(diǎn)附近的死區(qū)需要特殊處理，否則將影響調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。輸入信號(hào)的絕對(duì)值與死區(qū)值進(jìn)行比較，當(dāng)小于死區(qū)值時(shí)，輸出信號(hào)封閉，電極不做任何調(diào)節(jié)；當(dāng)大于死區(qū)值時(shí)，輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)線性變化，電極自動(dòng)調(diào)節(jié)。

閥的零點(diǎn)標(biāo)定：受液壓缸的內(nèi)泄等因素影響，閥的零點(diǎn)與控制零點(diǎn)可能不一致。為加快調(diào)節(jié)速度，調(diào)節(jié)區(qū)時(shí)初始值一般為控制零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

3.4 過(guò)壓補(bǔ)償

高壓系統(tǒng)的過(guò)壓將引起工作點(diǎn)的偏移，因此比較變壓器一次側(cè)電壓額定電壓，超過(guò)偏差值并達(dá)到一定時(shí)間時(shí)，調(diào)整阻抗設(shè)定值。

3.5 接觸非導(dǎo)電物的電極調(diào)節(jié)

升降液壓缸內(nèi)的壓力可以通過(guò)壓力變送器將液壓缸連接的液壓管道的壓力值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供PLC連鎖使用。

當(dāng)出現(xiàn)鋼渣在鋼液面結(jié)殼情況時(shí)，電極無(wú)法正常下降，液壓缸內(nèi)的壓力持續(xù)下降，此時(shí)極易造成電極折斷。電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)檢測(cè)到某一相壓力低于一個(gè)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，控制此電極快速上升，然后再次下落點(diǎn)弧。成功點(diǎn)弧則進(jìn)入自動(dòng)控制模式。若連續(xù)出現(xiàn)三次接觸點(diǎn)弧不成功，三相電極將全部提升至高位停止，同時(shí)發(fā)出電極接觸到非導(dǎo)電物聲光報(bào)警。

4 其他保護(hù)控制的優(yōu)化

4.1 過(guò)電流控制

當(dāng)檢測(cè)的弧流超過(guò)最大電流保護(hù)設(shè)定值時(shí)，過(guò)電流控制功能自動(dòng)投入，電極反饋的弧流越大，電極提升速度越快。當(dāng)出現(xiàn)超過(guò)設(shè)定的允許電流時(shí)，三根電極同時(shí)以最大速度緊急提升。

4.2 短路控制

若阻抗實(shí)際值低于最小極限值且超過(guò)保護(hù)時(shí)間設(shè)定時(shí)，短路控制功能自動(dòng)投入。當(dāng)短路狀態(tài)超過(guò)設(shè)定時(shí)間，相應(yīng)電極的阻抗設(shè)定值附加一個(gè)速度值，電極快速提升；緊急情況下電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)開(kāi)啟液壓旁路閥，以最快速度提升電極。

4.3 高壓斷路器保護(hù)

電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控三相電極電流，當(dāng)超過(guò)高壓斷路器設(shè)定的最大電流值時(shí)，電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)將給出高壓斷路器分閘信號(hào)切斷高壓電源。

4.4 變壓器換檔保護(hù)

LF鋼包精煉爐變壓器的分接開(kāi)關(guān)，主要實(shí)現(xiàn)檔位的變換，為防止檔位切換時(shí)高電流對(duì)分解開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的損壞，檢測(cè)電極電流是否低于切換檔位的保護(hù)值，滿(mǎn)足條件可以進(jìn)行檔位切換，否則不予換擋。

5 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化改造后的電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)使精煉爐在正常進(jìn)行鋼水加熱過(guò)程中三相橫臂（指電極）穩(wěn)定，上下波動(dòng)無(wú)振蕩現(xiàn)象；電流波動(dòng)范圍明顯減小，弧光熱效率提高并電極斷裂減少。

控制各個(gè)冶煉階段的電弧長(zhǎng)度，確保電極在三個(gè)周波內(nèi)穩(wěn)弧，可大大縮短點(diǎn)弧階段穩(wěn)弧時(shí)間。在確定變壓器工作檔位條件下，按照功率圓的方式，重新設(shè)置變壓器與短網(wǎng)固有特性下的阻抗設(shè)定值，將最大有功輸入鋼水，自動(dòng)選擇匹配的阻抗最佳工作電流；在各個(gè)冶煉工藝階段埋弧穩(wěn)定、提高熱效率，減小電流的波動(dòng)幅度，降低能源消耗和電極損耗，提高效率和設(shè)備壽命。

作者簡(jiǎn)介：宋文學(xué)（1982-），男， 山東桓臺(tái)人，本科，工程師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。