單相電弧爐硬件仿真平臺設計與實現

摘 要： 主要介紹了單相電弧爐硬件仿真平臺的原理、設計和實現過程。仿真平臺由波形發生電路、功率放大電路、仿真變壓器和檢測環節組成，可以模擬工業電弧爐的運行狀態。其中波形發生電路可以輸出工業電弧爐典型電壓波形，然后經過功率放大電路接到仿真變壓器以產生電弧電流。而檢測環節的作用為保證電弧電壓與電流同相位。該平臺的硬件電路設計采用了全新的方案，從實驗結果可以看出，仿真平臺可以產生出電弧爐典型電壓波形與相應的電流波形，并且在系統結構上也與工業電弧爐類似，可以作為電弧爐電極控制策略研究的一個有效平臺。

關鍵詞： 電弧爐； 仿真平臺； 電極控制； 電壓波形

中圖分類號： TN911?34； TF741.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0131?03

Design and implementation of hardware simulation platform for single phase electric arc furnace

YANG Cheng， LIU Xiao?he

（College of Automation， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： The principle， design and implementation process of single phase electric arc furnace hardware simulation platform were introduced in this paper. This simulation platform consists of waveform generation circuit， power amplification circuit， simulation transformers and detection part. The operation condition of industrial electric arc furnace can be simulated by the platform. The waveform generation circuit can output industrial electric arc furnace typical voltage waveform， which is amplified by power amplification circuit and then connected to simulation transformers to generate electric arc current. The function of detection part is to ensure the the electric arc voltage and current in?phase have the same phase. A new solution is adopted for hardware circuit design of this platform. The experimental results show that this platform can generate typical voltage waveform of electric arc furnace and corresponding current waveform， and its structure is similar with industrial electric arc furnace. An effective way for electric arc furnace electrode control strategy research was provided by this platform.

Keywords： electric arc furnace； simulation platform； electrode control； voltage waveform

電弧爐是一種用來冶煉金屬的設備，其工作原理是利用電極產生的高溫電弧來熔煉礦石和金屬，主要用于煉鋼工業中。近年來，隨著電弧爐煉鋼技術的不斷發展，對電弧爐電極控制的研究也越來越被人們重視，因為電極的運動直接關系到煉鋼的質量與效率[1]。電極控制方法研究也取得了不少成果，比如模糊控制，自適應控制，神經網絡等[2?3]。然而，由于鋼鐵工業的特殊性，在實際工業電弧爐系統上直接進行電極控制的研究失敗成本太高，利用仿真軟件做研究雖然取得一些結果[4]，但是電弧爐模型與真實系統差別比較大，仿真結果參考意義有限。因此搭建出了能夠模擬工業電弧爐運行特性的實驗室仿真平臺，并通過實驗對平臺功能進行了驗證。

1 電弧爐硬件仿真平臺組成

仿真平臺主要由4部分組成：波形發生電路，功率放大電路，仿真變壓器電路和檢測環節。系統組成框圖如圖1所示。其中波形發生電路，功率放大電路和檢測環節從工業電弧爐爐體的輸入/輸出特性上來模擬。仿真變壓器部分從工業電弧爐供電系統的結構及相關參數上來模擬。

2 波形發生電路

波形發生電路模擬的是工業電弧爐爐體本身。電弧爐模型有很多種，有時域、頻域、電壓?電流模型等[5?7]。本文采用電壓?電流模型來模擬電弧爐的輸入/輸出特性。工業電弧爐電極電壓的幅值與電弧弧長成正比，且工業電弧爐電弧電壓波形有一個典型的形狀，如圖2所示。

圖1 單相電弧爐仿真平臺組成框圖

圖2 電弧爐典型電壓波形

因此，波形發生電路模擬電弧爐爐體要從兩個方面來進行：波形發生電路要能輸出圖2所示的典型電壓波形，頻率為50 Hz。輸出的電壓波形幅值與輸入弧長信號大小成正比。

2.1 硬件設計

波形發生電路的硬件設計以單片機為核心。在此所選取的芯片為STC12C5A60S2（含片內A/D模塊）[8]。此款芯片性能好，工作穩定，而且比使用片外A/D成本降低。單片機輸入端接直流信號，在實驗中利用一個電位器來調節輸入電壓大小；輸出端接DAC0832，將數字電壓信號轉化為模擬電流信號。DAC0832后接運放電路，將電流信號轉換為雙極性電壓信號，即為電弧爐典型電壓波形。電路原理圖如圖3所示。

圖3 波形發生電路原理圖

2.2 軟件設計

由于工業電弧爐工作電壓頻率為50 Hz，因此該仿真電路輸出的電壓波形頻率也應為50 Hz，即周期為20 ms。將一個周期的電壓波形按橫軸即時間軸等分50份，即主程序定時器設置為400 μs。單片機每過400 μs輸出一個數值，即可滿足波形的完整性。程序采用C語言編寫，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3 功率放大電路

波形發生電路的輸出為-5～5 V的電壓信號，驅動能力很弱，而設計的單片機與仿真變壓器之間的電流為2 A左右，仿真變壓器端電壓輸出為20 V，因此波形發生電路必須通過功率放大電路的驅動，才能與仿真變壓器端連接。

功率放大電路的設計以高性能音頻功放芯片LM3886為核心。該芯片±35 V電源供電，8 Ω負載時平均輸出功率可達到50 W，峰值功率最大可達到135 W。而要求功放的輸出電壓為20 V，電流為2 A左右，因此該芯片可以滿足需要。電路設計方案采用芯片手冊上的典型應用電路[9]。通過調節輸入端電位器的大小可以調整電路的放大倍數。

4 仿真變壓器電路

仿真變壓器電路從系統結構及器件參數方面模擬工業電弧爐的供電系統。工業電弧爐供電系統主要由配電變壓器部分和電弧爐變壓器部分組成。以西安唐都鋼廠3噸電弧爐供電系統為例[10]：配電變壓器容量為6 300 kVA，110 kV變11 kV，11 kV側總的等效阻抗為。電弧爐變壓器容量為1 800 kVA，11 kV變220 V，220 V側總的等效阻抗為。

仿真變壓器電路的設計參照唐都鋼廠3噸電弧爐實例。仿真配電變壓器容量選擇120 VA，220 V變60 V，副邊接0.4 Ω電阻，10 mH電抗器，總的阻抗，與工業電弧爐配電變壓器副邊阻抗保持時間常數一致。仿真電弧爐變壓器容量選擇120 VA，60 V變20 V，副邊接2 Ω電阻，30 mH電抗器，總的阻抗，與工業電弧爐變壓器副邊阻抗保持時間常數一致[11]。

由系統框圖圖1可以看出，Z2一端接功率放大電路的輸出端，為20 V交流電；另一端接仿真電弧爐變壓器副邊，也為20 V交流電。因此流過Z2的電流即電弧電流也為交流。經計算，該電流有效值為2.08 A。

5 檢測環節

由于工業電弧爐電弧電壓與電弧電流是同相位的，即電弧的對外特性表現為純阻性。所以我們還增加了電流互感器檢測環節。電流互感器變比為10 A/10 mA，可將大電流轉換為小電流。電流互感器檢測經過Z2的電流，輸出電流為毫安級，然后接1 kΩ的電阻將電流轉化為電壓信號送給波形發生電路中的硬件中斷電路，硬件中斷電路輸出接單片機的INT0。當硬件中斷環節檢測到電流過零點時，會給單片機中斷信號，單片機此時開始產生電壓波形。這樣，就保證了電弧電壓與電弧電流的同相位，與工業電弧爐電弧的純阻性特性保持一致。

6 實驗結果與分析

經過調試，在實驗室測得波形如圖5，圖6所示。示波器型號為Tektronix TDS 1002。

圖5 仿真電壓波形

由圖5可以看出，仿真平臺輸出的電弧爐電壓波形與工業電弧爐典型電壓波形形狀基本一致。示波器測得波形發生電路輸出電壓波形（放大前）幅值為5 V，放大后波形幅值為20 V，且頻率都為49.8 Hz，接近所要求的50 Hz。波形發生電路輸出的電壓波形并可通過輸入端電位器在0～5 V之間連續可調。由圖6可以看出，電弧電壓與電流同相位，即電弧為純阻性。

圖6 電壓波形與電流波形

綜合實驗結果可以看出，本仿真平臺可以產生出與工業電弧爐典型電壓波形基本一致的波形；產生出的電壓波形幅值連續可調，頻率滿足要求；仿真電弧電流波形與電壓波形同相位，達到了我們的預期目標。此外，本硬件仿真平臺運行穩定，精度較高，成本低，因此可以作為研究電弧爐電極控制策略的一個可靠平臺。

參考文獻

[1] 劉世瑞，吳文平.電弧爐電極升降自動調節系統簡介[J].中國科技信息，2011（14）：120?121.

[2] 管萍，李明輝，劉小河，等.電弧爐的反步自適應模糊控制[J].控制工程，2012（4）：221?224.

[3] 黃亮，趙輝.BP神經網絡模糊控制在電弧爐電極調節系統中的實現[J].電氣自動化，2010，32（3）：18?20.

[4] BHONSLE D C， KELKAR R B. Simulation of electric arc furnace characteristics for voltage flicker study using Matlab [C]// 2011 International Conference on Recent Advancements in Electrical， Electronics and Control Engineering. Sivakasi： [s.n.]， 2011：174?181.

[5] 顧建軍，李凱，鄭永征.交流電弧爐系統建模與仿真研究[J].冶金動力，2010（2）：1?3.

[6] 王琰，毛志忠，李妍，等.交流電弧爐供電系統建模及耦合關系仿真研究[J].系統仿真學報，2010，22（4）：841?844.

[7] 池偉，李愷倫，查蕾，等.基于能量平衡的電弧爐模型的仿真與參數辨識[J].機電工程，2012，29（4）：454?457.

[8] 丁向榮.STC系列增強型8051單片機原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2011.

[9] National Semiconductor. LM3886 OvertureTM audio power amplifier series [EB/OL]. [2013?03?10]. http：//www.wenku.baidu.com.

[10] 劉小河.電弧爐電氣系統的模型、諧波分析及電極調節系統自適應控制的研究[D].西安：西安理工大學，2000.

[11] 朱蕾蕾，朱賀，張豫川，等.高阻抗電弧爐變壓器技術參數設計[J].工業加熱，2012，41（2）：11?14.