基于大电流检测的矿热炉电极升降自动控制系统*

张传伟，王　瑀，邢　乐

(西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 710054)



基于大电流检测的矿热炉电极升降自动控制系统*

张传伟，王瑀，邢乐

(西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 710054)

阐述目前矿热炉采用一次侧电流平衡的控制策略来控制电极升降不足的问题，提出通过罗氏线圈检测二次侧大电流并以此作为控制对象的恒阻抗控制策略，针对该控制策略，设计基于大电流检测的矿热炉电极升降自动控制系统的总体结构，进行系统硬件和软件设计。采用三相综合电量变送器PDM实时采集电炉变压器一次侧电压、电流和二次侧电压等参数，采用罗氏线圈检测系统采集二次侧电流，硬件上采用工控机和西门子S7-300PLC相结合的控制结构，以Visual Basic 6.0为软件开发平台编制了控制系统软件，实现对运行过程的监督和控制，以及数据的实时读取和记录。对于提高矿热炉电极升降控制的准确化、自动化和智能化具有重要的理论意义和应用价值。

矿热炉；电极升降；罗氏线圈；控制系统

0　引　言

目前，国内冶炼企业大都采用人工手动调节变压器一次侧电流平衡的控制策略来控制矿热炉三相电极升降，当矿热炉三相负载对称时，这一控制策略是可行的。但一般来说，因供电电网三相电压不平衡、炉子短网长度不一致、三相电极堆料不均匀等原因，电炉的三相负载总是不对称的。即使在供电电网电压对称的情况下，也会因熔池中心点和系统中心点之间存在的电压漂移，导致三相电极负载的电压不等，这种情况下如果采用三相一次侧电流平衡的方法来调节电极，会导致矿热炉三相熔池得到的有功功率不平衡，则会加剧炉料熔化不均匀，使熔池电阻不等，进一步导致三相电极工作端位置不对称，从而影响产品产量和质量，冶炼电耗量大大增加等缺点[1-2]。而采用以二次侧电流为控制对象的恒阻抗控制策略来调节电极，可以克服上述弊端，很好地实现三相熔池功率平衡[3]，因此研究以变压器二次侧电流为控制对象的恒阻抗控制策略去调节矿热炉电极升降的自动控制系统。

1　罗氏线圈检测三相二次侧大电流

矿热炉在冶炼期间，电炉变压器二次侧的电流高达几万安培甚至十几万安培，使得对矿热炉二次侧电流的检测比较困难[4]。为了对二次侧大电流进行检测，文中提供了一种矿热炉二次侧大电流检测系统，主要用到的是罗氏线圈，罗氏线圈与普通电流互感器相比，具有抗电磁干扰性好、消除了磁饱和与铁磁谐振、测量准确度高、频率响应范围宽、多功能、智能化、价格便宜、重量轻等优点[5-6]。

罗氏线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈，测量电流的基本原理是安培环路定律和电磁感应定律。罗氏线圈的感应电动势可表示为[7-8]

(1)

式中M为空心线圈的互感系数。

从上式可以看出，感应电动势e(t)与被测电流i(t)成微分关系，因此只要在检测系统中增加一个积分环节，就可得到电炉变压器二次侧大电流的真实值。

整个检测系统的基本组成框图如图1所示，R0为罗氏线圈的内阻;L为罗氏线圈的自感系数；Rs为负载电阻；C1为罗氏线圈的匝间电容;u1(t)为罗氏线圈的输出电压。放大电路的作用是将获得的微弱电压信号进行放大处理；积分电路的作用是将放大之后的电压信号进行还原处理，获取与被测电流直接相关的电压信号；峰值采样保持器的作用是将获得的与被测电流直接相关的电压信号的峰值取出来，并进行保持处理；采集卡的作用是进行A/D转换，使获得的峰值模拟量信号转变成数字量信号，然后通过通信技术把数字量信号传送至工业控制计算机；工业控制计算机的作用是接收采集卡传送过来的数字量信号，实现数据的处理、显示与存储。每次测量之前，必须清零。

图1　二次侧电流检测系统组成框图Fig.1　Block diagram of secondary side current measuring system

当1/ωC1≪RS时，ic(t)≈0，i1(t)≈i2(t)=u1(t)/RS，由图1可得

(2)

将(1)式代入(2)式得

(3)

(4)

(5)

因此，被测电流i(t)可以表示为

(6)

罗氏线圈安装于矿热炉变压器低压侧出线端，假设变压器低压侧出线端单侧有8根铜管，每根铜管上安装一个罗氏线圈，把每个罗氏线圈串联起来并对输出信号进行矢量求和。假设8根铜管上的电流信号为i1(t)，i2(t)，…，i8(t)，罗氏线圈输出的电压信号为u11(t)，u12(t)，…，u18(t)，则矿热炉变压器二次侧电流值为

(7)

由于矿热炉负载的非线性与时变性，使得矿热炉变压器二次侧电流中谐波成分大[9-10]，通过罗氏线圈进行二次侧电流检测时，在经过积分器后被还原的电压信号也自然具有相应的谐波成分，因此无法直接对被还原的电压信号进行矢量求和，必须对每个电压信号进行傅立叶变换，分解出各次谐波再分别求和。

2　控制系统总体结构设计

电极升降自动控制系统主要包括电极升降控制和电极压放控制。电极升降控制的作用是调节电极一直工作在炉内最佳位置，保持电极电流、熔池电阻等电量的恒定，实现三相熔池功率平衡，提高功率因数，该过程由变频器驱动卷扬机来实现电极升降；电极在工作时会逐渐消耗而变短，这时要通过电极压放控制来补充电极消耗的部分，使电极工作端的长度一直保持在最佳状态，该过程主要是通过一系列固定的工序来实现，主要由上抱闸、下抱闸、铜瓦和小立缸的配合来完成[11]。单相电极升降自动控制系统结构图如图2所示。

图2　单相电极升降自动控制系统结构图Fig.2　Structure diagram of single-phase electrode lifting automatic control system

三相综合电量变送器PDM1通过电压、电流互感器进行一次侧电流和电压的数据采集，三相综合电量变送器PDM2直接进行二次侧电压的数据采集，信号经过PDM的智能处理之后由RS485/232转换接口传输给工业控制计算机，利用罗氏线圈检测系统采集二次侧大电流，信号也传输给上位机，在上位机中显示重要的电参数。当进行自动控制时，信号在工业控制计算机中根据控制策略进行计算处理分析之后通过西门子S7-300PLC向变频器发送控制指令，然后由变频器驱动交流力矩电机，使卷扬机进行正反转运行，来调节电极上升和下降；当进行手动控制时，变频器从系统中去除，人工手动改变工频电源接入卷扬机的相序，相序的改变将改变交流力矩电机的转向，使卷扬机进行正反转运行，达到调节电极升降的目的。

3　电极控制策略

目前，矿热炉调节电极的控制策略主要包括恒电流控制策略、恒功率控制策略和恒阻抗控制策略[12]。大多数矿热炉是采用恒阻抗控制策略[13]，它最大的优点就是有利于系统的平衡和稳定，使三相电极间的干扰明显减少。

恒阻抗控制策略的控制原理为通过升降机构改变三相电极的位置，使三相操作电阻改变，从而达到调节三相电流大小和三相熔池功率的目的[11-12]。当电极插入炉料的深度越浅，弧压上升弧流下降阻抗就越大；当电极插入炉料的深度越深，弧压下降弧流上升阻抗就越小。矿热炉单相等效电路图如图3所示，I1为A相一次侧电流，U1为A相一次侧电压，I2为A相二次侧电流，U2为A相二次侧电压，R1为设备的电阻，R2为操作电阻，WL为总感抗。

图3　矿热炉单相等效电路图Fig.3　Single-phase equivalent circuit diagram of submerged arc furnace

图4　恒阻抗控制策略实现流程图Fig.4　Flow chart of achieving constant impedance control strategy

已知矿热炉的功率因数，炉料和炉体总功率为

(8)

所以可得R1+R2为

(9)

因为R1与R2相比会很小，所以可以认为R1趋近于0.那么每相电极的阻抗值为

(10)

通过公式(10)计算得到的阻抗值不是该相电极的真实阻抗值，只是用作控制三相电极平衡的依据。

凭人工经验、生产炉况和产品质量可以总结出一个最佳二次侧电流值和浮动阻抗值ΔR.然后通过设定某一相的最佳二次侧电流值以及三相综合电量变送器采集得到的二次侧电压值就能根据公式(10)计算出该相的阻抗值，以这一相的阻抗值为基准与采集和计算得到的其他两相的阻抗值进行对比来控制三相电极升降，使得每相的阻抗值在以设定值为基准的范围内，这样就能有效实现三相熔池功率的平衡。现以设定A相的二次侧电流值为例恒阻抗控制策略实现流程图如图4所示。

4　控制系统软件设计

工业控制计算机采用Windows7操作系统，选用VisualBasic6.0来编写控制程序。VB6.0是面向对象的程序化设计语言，其界面设计简单，代码维护方便，具有结构化、模块化、可视化的特点，同时还提供了访问数据库以及存储和检索的功能。控制系统的主程序流程图如图5所示。

图5　控制系统主程序流程图Fig.5　Main program flow chart of control system

5　结　论

文中设计的基于大电流检测的矿热炉电极升降自动控制系统，采用三相综合电量变送器PDM实时采集电炉变压器一次侧电压、电流和二次侧电压等参数，采用罗氏线圈检测系统采集二次侧电流，提供了数据的实时读取和记录，为整个自动控制系统对电极的精确控制提供了硬件保证；上位计算机用于显示、监视，负责数据的计算和存储，实现了对运行过程的监督和控制策略的实施，为整个自动控制系统对电极的精确控制提供了软件保证。整个自动控制系统实现了分散控制。

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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责任编辑：李克永

陕西省教育厅服务地方专项计划项目资助(15JF023)；西安市科技计划项目资助(CXY1435(2))

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

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