用PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真空自耗電弧爐功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难芯?/h1>
2014-08-11 04:55:44張曉劍
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年24期
張曉劍
摘 要：文章介紹真空自耗電弧爐，根據(jù)整流電源的功率因數(shù)與電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用PLC系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算、動(dòng)態(tài)控投補(bǔ)償電容，實(shí)現(xiàn)電弧爐功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償，與傳統(tǒng)的專用的動(dòng)態(tài)功率因數(shù)補(bǔ)償裝置比較，本方案運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單實(shí)用，投資低。
關(guān)鍵詞：真空自耗電弧爐；PLC；功率因數(shù)補(bǔ)償
引言
幾乎所有的真空自耗電弧爐的整流電源，不論其使用晶閘管可控整流的方案，還是飽和電抗器調(diào)壓整流的方案，都存在一個(gè)共性問題，其運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)都很低，一般為0.45～0.7。我公司3臺(tái)10噸真空自耗電弧爐，采用晶閘管可控整流，最大電流40kA，配有1套800kvar的電容補(bǔ)償柜。由于初期的功率因數(shù)補(bǔ)償采用固定補(bǔ)償電容方式，經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)功功率過補(bǔ)現(xiàn)象，功率因數(shù)補(bǔ)償效果不好。后來(lái)根據(jù)功率因數(shù)與電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過熔煉電流的大小，利用PLC系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算、動(dòng)態(tài)控投補(bǔ)償電容，取得很好的補(bǔ)償效果。此方案操作簡(jiǎn)單實(shí)用，運(yùn)行可靠并且投資低，下面就此方法做簡(jiǎn)單的探討。
1 電弧爐的熔煉整流電源結(jié)構(gòu)
每臺(tái)電弧爐的整流電源由2套整流柜組成。每個(gè)整流柜是一個(gè)12脈沖的可控硅三相整流器，輸入交流電壓690V，最大輸出直流20kA，最小輸出直流1kA，運(yùn)行電壓最高40V。兩臺(tái)整流柜一起最大輸出電流40kA，因直流電源采用12脈波可控整流方案，總體裝機(jī)用電量并不大，所以其注入電網(wǎng)的諧波含量是滿足《GB/T 14549-93》電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的。
每臺(tái)整流柜配一套電容補(bǔ)償柜，400kvar電容組。兩套系統(tǒng)共提供800kvar的無(wú)功補(bǔ)償。
2 功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)睦碚撚?jì)算
根據(jù)功率因數(shù)理論計(jì)算：
cos？覫=P/S，
Q=S2-P2
Q=P*tg？覫
△Q=Q1-Q2=（tg？覫1-tg？覫2）*P
其中Q1、Q2為補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的無(wú)功功率。P為有功功率，△Q為需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功。根據(jù)真空自耗爐熔煉工藝的熔煉電流電壓值，可以推算出需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率值，表1根據(jù)工藝電流電壓計(jì)算功率因數(shù)從0.7提升到0.9或0.95所需無(wú)功功率。
表1 熔煉電流與無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算表
由表1 可以得到，如果把800kvar的補(bǔ)償電容分成8組，不同大小的電流對(duì)應(yīng)不同數(shù)量的無(wú)功補(bǔ)償值，就可以把功率因數(shù)補(bǔ)償至0.9～0.95之間。只有在40kA電流熔煉過程中，補(bǔ)償后的最大功率因數(shù)為：cos？覫2=cos（arctg（tg？覫1-△Q/P））=0.89，一般熔煉工藝很少用到。
3 真空自耗電弧爐工作過程
真空自耗電弧爐的熔煉過程可分3個(gè)階段：起弧階段，熔煉階段，補(bǔ)縮階段。起弧階段持續(xù)時(shí)間約1小時(shí)，電流由4kA慢慢升高；然后進(jìn)入正常熔煉階段，電流一般為30kA～38kA，持續(xù)時(shí)間約4～5小時(shí)；最后進(jìn)入補(bǔ)縮階段，電流逐步降低至8kA，持續(xù)時(shí)間約3～4小時(shí)。因此，熔煉過程有40%的時(shí)間是在低電流熔煉階段。
原功率因數(shù)補(bǔ)償方式是固定補(bǔ)償，即在熔煉的3個(gè)階段中，800kvar補(bǔ)償電容全部投入，在正常的熔煉階段，電流為30～38kA，功率因數(shù)可補(bǔ)償至0.9；但是，在低電流熔煉階段（起弧階段和補(bǔ)縮階段），對(duì)電網(wǎng)就有600kvar左右的無(wú)功過補(bǔ)償，造成功率因數(shù)不升反降。
4 功率因數(shù)過低的危害
眾所周知，這種長(zhǎng)期存在的過補(bǔ)償已經(jīng)改變了負(fù)載的性質(zhì)，把原來(lái)的感性變?yōu)槿菪?，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)容性的無(wú)功電流，會(huì)造成供電線路中電流不減小，反而會(huì)隨著過補(bǔ)償程度的加深而變大，增大的線路損耗。電力部門要求用戶的功率因數(shù)不能小于0.9，公司也因功率因數(shù)不合格而被供電部門多次警告或罰款。
5 PLC控制補(bǔ)償方案確定
解決功率因數(shù)過補(bǔ)償?shù)膯栴}完全可以采用專業(yè)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，但是采購(gòu)這樣的補(bǔ)償裝置投資大，周期長(zhǎng)，同時(shí)，還會(huì)增加真空自耗電弧爐的控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。真空自耗電弧爐的控制系統(tǒng)主要由西門子S7-400PLC控制系統(tǒng)硬件，具有檢測(cè)整流電源的電流和電壓的模擬量硬件接口，和控制補(bǔ)償電容的開關(guān)量輸出硬件接口。我們完全可以利用電弧爐的PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電源功率因數(shù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
6 PLC編程實(shí)現(xiàn)
首先，我們可以根據(jù)表1，把無(wú)功補(bǔ)償電容分成8組，每組100kvar。然后，在S7-400PLC內(nèi)新建1個(gè)FB功率因數(shù)補(bǔ)償功能模塊，通過OB1調(diào)用。在FB功能模塊程序中定義8個(gè)門限值，門限值分別為：5A，10kA，15kA，20kA，25kA，30kA，35kA，38kA。另外，定義8個(gè)控制輸出DO，分別控制8組電容補(bǔ)償器。根據(jù)表1，當(dāng)熔煉電流大于相應(yīng)的門限值時(shí)，即啟動(dòng)相應(yīng)數(shù)量的補(bǔ)償電容；當(dāng)熔煉電流降低至相應(yīng)門限值以下，就退減到相應(yīng)數(shù)量的補(bǔ)償電容，完成功率因數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償過程。
7 結(jié)束語(yǔ)
本方案運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單實(shí)用，投資成本低。公司真空自耗電弧爐的整流電源，經(jīng)整改采用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后，經(jīng)多年運(yùn)行測(cè)試，控制后的功率因數(shù)一直在0.9以上。公司也因功率因數(shù)的提高多次獲得供電部門的獎(jiǎng)勵(lì)和表?yè)P(yáng)。
參考文獻(xiàn)
[1]李宏.淺談直流電弧爐用電源的發(fā)展[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2010（2）.
[2]張繼玉.真空電爐[M].冶金工業(yè)出版社，1994.
張曉劍
摘 要：文章介紹真空自耗電弧爐，根據(jù)整流電源的功率因數(shù)與電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用PLC系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算、動(dòng)態(tài)控投補(bǔ)償電容，實(shí)現(xiàn)電弧爐功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償，與傳統(tǒng)的專用的動(dòng)態(tài)功率因數(shù)補(bǔ)償裝置比較，本方案運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單實(shí)用，投資低。
關(guān)鍵詞：真空自耗電弧爐；PLC；功率因數(shù)補(bǔ)償
引言
幾乎所有的真空自耗電弧爐的整流電源，不論其使用晶閘管可控整流的方案，還是飽和電抗器調(diào)壓整流的方案，都存在一個(gè)共性問題，其運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)都很低，一般為0.45～0.7。我公司3臺(tái)10噸真空自耗電弧爐，采用晶閘管可控整流，最大電流40kA，配有1套800kvar的電容補(bǔ)償柜。由于初期的功率因數(shù)補(bǔ)償采用固定補(bǔ)償電容方式，經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)功功率過補(bǔ)現(xiàn)象，功率因數(shù)補(bǔ)償效果不好。后來(lái)根據(jù)功率因數(shù)與電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過熔煉電流的大小，利用PLC系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算、動(dòng)態(tài)控投補(bǔ)償電容，取得很好的補(bǔ)償效果。此方案操作簡(jiǎn)單實(shí)用，運(yùn)行可靠并且投資低，下面就此方法做簡(jiǎn)單的探討。
1 電弧爐的熔煉整流電源結(jié)構(gòu)
每臺(tái)電弧爐的整流電源由2套整流柜組成。每個(gè)整流柜是一個(gè)12脈沖的可控硅三相整流器，輸入交流電壓690V，最大輸出直流20kA，最小輸出直流1kA，運(yùn)行電壓最高40V。兩臺(tái)整流柜一起最大輸出電流40kA，因直流電源采用12脈波可控整流方案，總體裝機(jī)用電量并不大，所以其注入電網(wǎng)的諧波含量是滿足《GB/T 14549-93》電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的。
每臺(tái)整流柜配一套電容補(bǔ)償柜，400kvar電容組。兩套系統(tǒng)共提供800kvar的無(wú)功補(bǔ)償。
2 功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)睦碚撚?jì)算
根據(jù)功率因數(shù)理論計(jì)算：
cos？覫=P/S，
Q=S2-P2
Q=P*tg？覫
△Q=Q1-Q2=（tg？覫1-tg？覫2）*P
其中Q1、Q2為補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的無(wú)功功率。P為有功功率，△Q為需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功。根據(jù)真空自耗爐熔煉工藝的熔煉電流電壓值，可以推算出需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率值，表1根據(jù)工藝電流電壓計(jì)算功率因數(shù)從0.7提升到0.9或0.95所需無(wú)功功率。
表1 熔煉電流與無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠?jì)算表
由表1 可以得到，如果把800kvar的補(bǔ)償電容分成8組，不同大小的電流對(duì)應(yīng)不同數(shù)量的無(wú)功補(bǔ)償值，就可以把功率因數(shù)補(bǔ)償至0.9～0.95之間。只有在40kA電流熔煉過程中，補(bǔ)償后的最大功率因數(shù)為：cos？覫2=cos（arctg（tg？覫1-△Q/P））=0.89，一般熔煉工藝很少用到。
3 真空自耗電弧爐工作過程
真空自耗電弧爐的熔煉過程可分3個(gè)階段：起弧階段，熔煉階段，補(bǔ)縮階段。起弧階段持續(xù)時(shí)間約1小時(shí)，電流由4kA慢慢升高；然后進(jìn)入正常熔煉階段，電流一般為30kA～38kA，持續(xù)時(shí)間約4～5小時(shí)；最后進(jìn)入補(bǔ)縮階段，電流逐步降低至8kA，持續(xù)時(shí)間約3～4小時(shí)。因此，熔煉過程有40%的時(shí)間是在低電流熔煉階段。
原功率因數(shù)補(bǔ)償方式是固定補(bǔ)償，即在熔煉的3個(gè)階段中，800kvar補(bǔ)償電容全部投入，在正常的熔煉階段，電流為30～38kA，功率因數(shù)可補(bǔ)償至0.9；但是，在低電流熔煉階段（起弧階段和補(bǔ)縮階段），對(duì)電網(wǎng)就有600kvar左右的無(wú)功過補(bǔ)償，造成功率因數(shù)不升反降。
4 功率因數(shù)過低的危害
眾所周知，這種長(zhǎng)期存在的過補(bǔ)償已經(jīng)改變了負(fù)載的性質(zhì)，把原來(lái)的感性變?yōu)槿菪?，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)容性的無(wú)功電流，會(huì)造成供電線路中電流不減小，反而會(huì)隨著過補(bǔ)償程度的加深而變大，增大的線路損耗。電力部門要求用戶的功率因數(shù)不能小于0.9，公司也因功率因數(shù)不合格而被供電部門多次警告或罰款。
5 PLC控制補(bǔ)償方案確定
解決功率因數(shù)過補(bǔ)償?shù)膯栴}完全可以采用專業(yè)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，但是采購(gòu)這樣的補(bǔ)償裝置投資大，周期長(zhǎng)，同時(shí)，還會(huì)增加真空自耗電弧爐的控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。真空自耗電弧爐的控制系統(tǒng)主要由西門子S7-400PLC控制系統(tǒng)硬件，具有檢測(cè)整流電源的電流和電壓的模擬量硬件接口，和控制補(bǔ)償電容的開關(guān)量輸出硬件接口。我們完全可以利用電弧爐的PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電源功率因數(shù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
6 PLC編程實(shí)現(xiàn)
首先，我們可以根據(jù)表1，把無(wú)功補(bǔ)償電容分成8組，每組100kvar。然后，在S7-400PLC內(nèi)新建1個(gè)FB功率因數(shù)補(bǔ)償功能模塊，通過OB1調(diào)用。在FB功能模塊程序中定義8個(gè)門限值，門限值分別為：5A，10kA，15kA，20kA，25kA，30kA，35kA，38kA。另外，定義8個(gè)控制輸出DO，分別控制8組電容補(bǔ)償器。根據(jù)表1，當(dāng)熔煉電流大于相應(yīng)的門限值時(shí)，即啟動(dòng)相應(yīng)數(shù)量的補(bǔ)償電容；當(dāng)熔煉電流降低至相應(yīng)門限值以下，就退減到相應(yīng)數(shù)量的補(bǔ)償電容，完成功率因數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償過程。
7 結(jié)束語(yǔ)
本方案運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單實(shí)用，投資成本低。公司真空自耗電弧爐的整流電源，經(jīng)整改采用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后，經(jīng)多年運(yùn)行測(cè)試，控制后的功率因數(shù)一直在0.9以上。公司也因功率因數(shù)的提高多次獲得供電部門的獎(jiǎng)勵(lì)和表?yè)P(yáng)。
參考文獻(xiàn)
[1]李宏.淺談直流電弧爐用電源的發(fā)展[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2010（2）.
[2]張繼玉.真空電爐[M].冶金工業(yè)出版社，1994.
