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（.　內(nèi)蒙古科技大學(xué),內(nèi)蒙古　包頭　0400;　.　山東鋼鐵集團(tuán)淄博張鋼有限公司,山東　淄博　56400）

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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)1,2,王志春1,劉躍2
（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué),內(nèi)蒙古包頭014010;2.山東鋼鐵集團(tuán)淄博張鋼有限公司,山東淄博256400）

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，軟件編程等，該系統(tǒng)運用恒阻抗控制的理念對電極進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)器；電極；恒阻抗

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)備雖然一直在運行，但性能較差，其系統(tǒng)存在以下幾大問題：

（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，其實際控制效果較差；

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

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

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

（5）系統(tǒng)實際沒有進(jìn)行功率圓的計算，調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒有運行在功率圓圖上的最佳工作點。

（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，三個獨立的阻抗控制器疊加一個過電流控制器，增加短路智能響應(yīng)，阻抗工作點和短路值等參數(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)的開關(guān)量和模擬量輸入輸出模板，用于電流、電壓信號的輸入，液壓閥值的輸出以及相關(guān)開關(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)修改需要對應(yīng)不同的權(quán)限。三個獨立的阻抗控制器的比例系數(shù)可以自動調(diào)整，均采用PI 控制算法，完成三個電極阻抗的獨自自動調(diào)節(jié)功能。

圖1　控制器框圖

2.2數(shù)據(jù)采集

2.2.1電壓測量方法

電弧電壓的檢測從變壓器的二次側(cè)接入電壓檢測箱，通過定制的電壓互感器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。電壓互感器的中性點設(shè)置在鋼包車四個車輪與鋼軌接觸四點的交叉中心點，經(jīng)單獨的電纜接入到電壓檢測箱。

2.2.2 電流測量方法

通過變壓器原邊設(shè)置的電流轉(zhuǎn)換器可測得的變壓器的一次側(cè)電流，通過電流變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號接入到電極升降調(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阻抗計算的實現(xiàn)

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

圖2　功率圓圖

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

一個操作點只能處于一個變壓器的抽頭曲線上，要改變到另一個變壓器的抽頭曲線上，就通過變壓器的分接開關(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確定某一個抽頭圓線上的操作點，不同的工作點組合在一起，就可變成特性曲線?？梢詮?個這樣的特性曲線中選出最佳操作點進(jìn)行設(shè)置來適應(yīng)不同的操作條件。通過計算得出的阻抗設(shè)定值輸入預(yù)置的數(shù)據(jù)庫，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點弧程序

點弧階段電弧過長極易造成三相電源的不平衡，所以在點弧過程中，應(yīng)設(shè)置分步的控制速度力求迅速點弧成功進(jìn)入自動調(diào)節(jié)。當(dāng)三相電流為零，三相電壓為定值時，此時可以較快的速度下降電極。當(dāng)經(jīng)過一段時間后，改為慢速自動調(diào)節(jié)，間隔時間由限位開關(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，也能測量電壓。

當(dāng)A相電極下降接觸熔池，短路并輸出一個大致為零伏的電壓，其他兩相的電壓提升到變壓器的三角形電壓，三相都沒有電流，停止了A相電極的下降動作；B相電極接觸熔池，兩個電極產(chǎn)生短路電流，兩個電極微微提升；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)的門檻值時點弧完成，電極調(diào)節(jié)進(jìn)入自動控制狀態(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)、零點偏置三個參數(shù)對電極調(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。輸入信號的絕對值與死區(qū)值進(jìn)行比較，當(dāng)小于死區(qū)值時，輸出信號封閉，電極不做任何調(diào)節(jié)；當(dāng)大于死區(qū)值時，輸出信號隨輸入信號線性變化，電極自動調(diào)節(jié)。

閥的零點標(biāo)定:受液壓缸的內(nèi)泄等因素影響，閥的零點與控制零點可能不一致。為加快調(diào)節(jié)速度，調(diào)節(jié)區(qū)時初始值一般為控制零點對應(yīng)的數(shù)值。

3.4過壓補(bǔ)償

高壓系統(tǒng)的過壓將引起工作點的偏移，因此比較變壓器一次側(cè)電壓額定電壓，超過偏差值并達(dá)到一定時間時，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)信號供PLC連鎖使用。

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

4　其他保護(hù)控制的優(yōu)化

4.1過電流控制

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

4.2短路控制

若阻抗實際值低于最小極限值且超過保護(hù)時間設(shè)定時，短路控制功能自動投入。當(dāng)短路狀態(tài)超過設(shè)定時間，相應(yīng)電極的阻抗設(shè)定值附加一個速度值，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)實時監(jiān)控三相電極電流，當(dāng)超過高壓斷路器設(shè)定的最大電流值時，電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)將給出高壓斷路器分閘信號切斷高壓電源。

4.4變壓器換檔保護(hù)

LF鋼包精煉爐變壓器的分接開關(guān)，主要實現(xiàn)檔位的變換，為防止檔位切換時高電流對分解開關(guān)觸點的損壞，檢測電極電流是否低于切換檔位的保護(hù)值，滿足條件可以進(jìn)行檔位切換，否則不予換擋。

5　結(jié)語

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)行鋼水加熱過程中三相橫臂（指電極）穩(wěn)定，上下波動無振蕩現(xiàn)象；電流波動范圍明顯減小，弧光熱效率提高并電極斷裂減少。

控制各個冶煉階段的電弧長度，確保電極在三個周波內(nèi)穩(wěn)弧，可大大縮短點弧階段穩(wěn)弧時間。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，自動選擇匹配的阻抗最佳工作電流；在各個冶煉工藝階段埋弧穩(wěn)定、提高熱效率，減小電流的波動幅度，降低能源消耗和電極損耗，提高效率和設(shè)備壽命。

作者簡介：宋文學(xué)(1982-),男, 山東桓臺人,本科,工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。

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