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        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.

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