張傳偉，王　瑀，邢　樂

(西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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基于大電流檢測的礦熱爐電極升降自動控制系統(tǒng)*

張傳偉，王瑀，邢樂

(西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

闡述目前礦熱爐采用一次側(cè)電流平衡的控制策略來控制電極升降不足的問題，提出通過羅氏線圈檢測二次側(cè)大電流并以此作為控制對象的恒阻抗控制策略，針對該控制策略，設(shè)計基于大電流檢測的礦熱爐電極升降自動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，進行系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。采用三相綜合電量變送器PDM實時采集電爐變壓器一次側(cè)電壓、電流和二次側(cè)電壓等參數(shù)，采用羅氏線圈檢測系統(tǒng)采集二次側(cè)電流，硬件上采用工控機和西門子S7-300PLC相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，以Visual Basic 6.0為軟件開發(fā)平臺編制了控制系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)對運行過程的監(jiān)督和控制，以及數(shù)據(jù)的實時讀取和記錄。對于提高礦熱爐電極升降控制的準確化、自動化和智能化具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

礦熱爐；電極升降；羅氏線圈；控制系統(tǒng)

0　引　言

目前，國內(nèi)冶煉企業(yè)大都采用人工手動調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)電流平衡的控制策略來控制礦熱爐三相電極升降，當?shù)V熱爐三相負載對稱時，這一控制策略是可行的。但一般來說，因供電電網(wǎng)三相電壓不平衡、爐子短網(wǎng)長度不一致、三相電極堆料不均勻等原因，電爐的三相負載總是不對稱的。即使在供電電網(wǎng)電壓對稱的情況下，也會因熔池中心點和系統(tǒng)中心點之間存在的電壓漂移，導(dǎo)致三相電極負載的電壓不等，這種情況下如果采用三相一次側(cè)電流平衡的方法來調(diào)節(jié)電極，會導(dǎo)致礦熱爐三相熔池得到的有功功率不平衡，則會加劇爐料熔化不均勻，使熔池電阻不等，進一步導(dǎo)致三相電極工作端位置不對稱，從而影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，冶煉電耗量大大增加等缺點[1-2]。而采用以二次側(cè)電流為控制對象的恒阻抗控制策略來調(diào)節(jié)電極，可以克服上述弊端，很好地實現(xiàn)三相熔池功率平衡[3]，因此研究以變壓器二次側(cè)電流為控制對象的恒阻抗控制策略去調(diào)節(jié)礦熱爐電極升降的自動控制系統(tǒng)。

1　羅氏線圈檢測三相二次側(cè)大電流

礦熱爐在冶煉期間，電爐變壓器二次側(cè)的電流高達幾萬安培甚至十幾萬安培，使得對礦熱爐二次側(cè)電流的檢測比較困難[4]。為了對二次側(cè)大電流進行檢測，文中提供了一種礦熱爐二次側(cè)大電流檢測系統(tǒng)，主要用到的是羅氏線圈，羅氏線圈與普通電流互感器相比，具有抗電磁干擾性好、消除了磁飽和與鐵磁諧振、測量準確度高、頻率響應(yīng)范圍寬、多功能、智能化、價格便宜、重量輕等優(yōu)點[5-6]。

羅氏線圈是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，測量電流的基本原理是安培環(huán)路定律和電磁感應(yīng)定律。羅氏線圈的感應(yīng)電動勢可表示為[7-8]

(1)

式中M為空心線圈的互感系數(shù)。

從上式可以看出，感應(yīng)電動勢e(t)與被測電流i(t)成微分關(guān)系，因此只要在檢測系統(tǒng)中增加一個積分環(huán)節(jié)，就可得到電爐變壓器二次側(cè)大電流的真實值。

整個檢測系統(tǒng)的基本組成框圖如圖1所示，R0為羅氏線圈的內(nèi)阻;L為羅氏線圈的自感系數(shù)；Rs為負載電阻；C1為羅氏線圈的匝間電容;u1(t)為羅氏線圈的輸出電壓。放大電路的作用是將獲得的微弱電壓信號進行放大處理；積分電路的作用是將放大之后的電壓信號進行還原處理，獲取與被測電流直接相關(guān)的電壓信號；峰值采樣保持器的作用是將獲得的與被測電流直接相關(guān)的電壓信號的峰值取出來，并進行保持處理；采集卡的作用是進行A/D轉(zhuǎn)換，使獲得的峰值模擬量信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號，然后通過通信技術(shù)把數(shù)字量信號傳送至工業(yè)控制計算機；工業(yè)控制計算機的作用是接收采集卡傳送過來的數(shù)字量信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、顯示與存儲。每次測量之前，必須清零。

圖1　二次側(cè)電流檢測系統(tǒng)組成框圖Fig.1　Block diagram of secondary side current measuring system

當1/ωC1?RS時，ic(t)≈0，i1(t)≈i2(t)=u1(t)/RS，由圖1可得

(2)

將(1)式代入(2)式得

(3)

(4)

(5)

因此，被測電流i(t)可以表示為

(6)

羅氏線圈安裝于礦熱爐變壓器低壓側(cè)出線端，假設(shè)變壓器低壓側(cè)出線端單側(cè)有8根銅管，每根銅管上安裝一個羅氏線圈，把每個羅氏線圈串聯(lián)起來并對輸出信號進行矢量求和。假設(shè)8根銅管上的電流信號為i1(t)，i2(t)，…，i8(t)，羅氏線圈輸出的電壓信號為u11(t)，u12(t)，…，u18(t)，則礦熱爐變壓器二次側(cè)電流值為

(7)

由于礦熱爐負載的非線性與時變性，使得礦熱爐變壓器二次側(cè)電流中諧波成分大[9-10]，通過羅氏線圈進行二次側(cè)電流檢測時，在經(jīng)過積分器后被還原的電壓信號也自然具有相應(yīng)的諧波成分，因此無法直接對被還原的電壓信號進行矢量求和，必須對每個電壓信號進行傅立葉變換，分解出各次諧波再分別求和。

2　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電極升降自動控制系統(tǒng)主要包括電極升降控制和電極壓放控制。電極升降控制的作用是調(diào)節(jié)電極一直工作在爐內(nèi)最佳位置，保持電極電流、熔池電阻等電量的恒定，實現(xiàn)三相熔池功率平衡，提高功率因數(shù)，該過程由變頻器驅(qū)動卷揚機來實現(xiàn)電極升降；電極在工作時會逐漸消耗而變短，這時要通過電極壓放控制來補充電極消耗的部分，使電極工作端的長度一直保持在最佳狀態(tài)，該過程主要是通過一系列固定的工序來實現(xiàn)，主要由上抱閘、下抱閘、銅瓦和小立缸的配合來完成[11]。單相電極升降自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　單相電極升降自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure diagram of single-phase electrode lifting automatic control system

三相綜合電量變送器PDM1通過電壓、電流互感器進行一次側(cè)電流和電壓的數(shù)據(jù)采集，三相綜合電量變送器PDM2直接進行二次側(cè)電壓的數(shù)據(jù)采集，信號經(jīng)過PDM的智能處理之后由RS485/232轉(zhuǎn)換接口傳輸給工業(yè)控制計算機，利用羅氏線圈檢測系統(tǒng)采集二次側(cè)大電流，信號也傳輸給上位機，在上位機中顯示重要的電參數(shù)。當進行自動控制時，信號在工業(yè)控制計算機中根據(jù)控制策略進行計算處理分析之后通過西門子S7-300PLC向變頻器發(fā)送控制指令，然后由變頻器驅(qū)動交流力矩電機，使卷揚機進行正反轉(zhuǎn)運行，來調(diào)節(jié)電極上升和下降；當進行手動控制時，變頻器從系統(tǒng)中去除，人工手動改變工頻電源接入卷揚機的相序，相序的改變將改變交流力矩電機的轉(zhuǎn)向，使卷揚機進行正反轉(zhuǎn)運行，達到調(diào)節(jié)電極升降的目的。

3　電極控制策略

目前，礦熱爐調(diào)節(jié)電極的控制策略主要包括恒電流控制策略、恒功率控制策略和恒阻抗控制策略[12]。大多數(shù)礦熱爐是采用恒阻抗控制策略[13]，它最大的優(yōu)點就是有利于系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定，使三相電極間的干擾明顯減少。

恒阻抗控制策略的控制原理為通過升降機構(gòu)改變?nèi)嚯姌O的位置，使三相操作電阻改變，從而達到調(diào)節(jié)三相電流大小和三相熔池功率的目的[11-12]。當電極插入爐料的深度越淺，弧壓上升弧流下降阻抗就越大；當電極插入爐料的深度越深，弧壓下降弧流上升阻抗就越小。礦熱爐單相等效電路圖如圖3所示，I1為A相一次側(cè)電流，U1為A相一次側(cè)電壓，I2為A相二次側(cè)電流，U2為A相二次側(cè)電壓，R1為設(shè)備的電阻，R2為操作電阻，WL為總感抗。

圖3　礦熱爐單相等效電路圖Fig.3　Single-phase equivalent circuit diagram of submerged arc furnace

圖4　恒阻抗控制策略實現(xiàn)流程圖Fig.4　Flow chart of achieving constant impedance control strategy

已知礦熱爐的功率因數(shù)，爐料和爐體總功率為

(8)

所以可得R1+R2為

(9)

因為R1與R2相比會很小，所以可以認為R1趨近于0.那么每相電極的阻抗值為

(10)

通過公式(10)計算得到的阻抗值不是該相電極的真實阻抗值，只是用作控制三相電極平衡的依據(jù)。

憑人工經(jīng)驗、生產(chǎn)爐況和產(chǎn)品質(zhì)量可以總結(jié)出一個最佳二次側(cè)電流值和浮動阻抗值ΔR.然后通過設(shè)定某一相的最佳二次側(cè)電流值以及三相綜合電量變送器采集得到的二次側(cè)電壓值就能根據(jù)公式(10)計算出該相的阻抗值，以這一相的阻抗值為基準與采集和計算得到的其他兩相的阻抗值進行對比來控制三相電極升降，使得每相的阻抗值在以設(shè)定值為基準的范圍內(nèi)，這樣就能有效實現(xiàn)三相熔池功率的平衡。現(xiàn)以設(shè)定A相的二次側(cè)電流值為例恒阻抗控制策略實現(xiàn)流程圖如圖4所示。

4　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

工業(yè)控制計算機采用Windows7操作系統(tǒng)，選用VisualBasic6.0來編寫控制程序。VB6.0是面向?qū)ο蟮某绦蚧O(shè)計語言，其界面設(shè)計簡單，代碼維護方便，具有結(jié)構(gòu)化、模塊化、可視化的特點，同時還提供了訪問數(shù)據(jù)庫以及存儲和檢索的功能?？刂葡到y(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5　Main program flow chart of control system

5　結(jié)　論

文中設(shè)計的基于大電流檢測的礦熱爐電極升降自動控制系統(tǒng)，采用三相綜合電量變送器PDM實時采集電爐變壓器一次側(cè)電壓、電流和二次側(cè)電壓等參數(shù)，采用羅氏線圈檢測系統(tǒng)采集二次側(cè)電流，提供了數(shù)據(jù)的實時讀取和記錄，為整個自動控制系統(tǒng)對電極的精確控制提供了硬件保證；上位計算機用于顯示、監(jiān)視，負責(zé)數(shù)據(jù)的計算和存儲，實現(xiàn)了對運行過程的監(jiān)督和控制策略的實施，為整個自動控制系統(tǒng)對電極的精確控制提供了軟件保證。整個自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了分散控制。

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Automatic control system for submerged arc furnace electrode lifting based on the large current detection

ZHANG Chuan-wei，WANG Yu，XING Le

(CollegeofMechanicalandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

ThispaperdescribesusingRogowskicoiltodetectlargecurrentontwosideofsubmergedarcfurnaceandwithlargecurrentontwosideascontrolobjectofconstantimpedancecontrolstrategy，whichcanavoidtheweaknessesofusingaprimarysidecurrentbalancecontrolstrategytocontroltheelectrodelifting.Forthecontrolstrategy，designoverallstructure，hardwareandsoftwareofautomaticcontrolsystemforsubmergedarcfurnaceelectrodeliftingbasedonthelargecurrentdetection.Withthedataforprimarysidevoltage，currentandsecondarysidevoltagearerealtimelycollectedforthesubmergedarcfurnacetransformerbythethree-phaseintegratedelectricalquantitytransducerPDM，andthesecondarysidecurrentiscollectedbyRogowskicoildetectionsystem.ThecontrolstructureofthecombinationofindustrialcontrolcomputerandSIEMENSS7-300PLCisadoptedinthehardware，andthecontrolsystemsoftwareiscompiledwithVisualBasic6.0asthesoftwaredevelopmentplatform，torealizethesupervisionandcontroloftheoperationprocess，aswellasthereal-timedatareadingandrecording.Thestudyhasimportanttheoreticalsignificanceandapplicationvaluetoimprovetheaccurate，automationandintelligentofsubmergedarcfurnaceelectrodeliftingcontrol.

submergedarcfurnace；electrodelifting；Rogowskicoil；controlsystem

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0323

1672-9315(2016)03-0440-05

2016-03-26責(zé)任編輯：李克永

陜西省教育廳服務(wù)地方專項計劃項目資助(15JF023)；西安市科技計劃項目資助(CXY1435(2))

張傳偉(1974-)，男，安徽淮南人，教授，博士，E-mail：sxdyzhang@163.com

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