用PLC系統實現真空自耗電弧爐功率因數自動補償的研究

張曉劍

摘 要：文章介紹真空自耗電弧爐，根據整流電源的功率因數與電流之間的數學關系，利用PLC系統自動計算、動態控投補償電容，實現電弧爐功率因數自動補償，與傳統的專用的動態功率因數補償裝置比較，本方案運行可靠，操作簡單實用，投資低。

關鍵詞：真空自耗電弧爐；PLC；功率因數補償

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，還是飽和電抗器調壓整流的方案，都存在一個共性問題，其運行時功率因數都很低，一般為0.45～0.7。我公司3臺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的電容補償柜。由于初期的功率因數補償采用固定補償電容方式，經常出現無功功率過補現象，功率因數補償效果不好。后來根據功率因數與電流之間的數學關系，通過熔煉電流的大小，利用PLC系統自動計算、動態控投補償電容，取得很好的補償效果。此方案操作簡單實用，運行可靠并且投資低，下面就此方法做簡單的探討。

1 電弧爐的熔煉整流電源結構

每臺電弧爐的整流電源由2套整流柜組成。每個整流柜是一個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，運行電壓最高40V。兩臺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，總體裝機用電量并不大，所以其注入電網的諧波含量是滿足《GB/T 14549-93》電能質量公用電網諧波》規定的。

每臺整流柜配一套電容補償柜，400kvar電容組。兩套系統共提供800kvar的無功補償。

2 功率因數補償的理論計算

根據功率因數理論計算：

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為補償前和補償后的無功功率。P為有功功率，△Q為需要補償的無功。根據真空自耗爐熔煉工藝的熔煉電流電壓值，可以推算出需要補償的無功功率值，表1根據工藝電流電壓計算功率因數從0.7提升到0.9或0.95所需無功功率。

表1 熔煉電流與無功補償的計算表

由表1 可以得到，如果把800kvar的補償電容分成8組，不同大小的電流對應不同數量的無功補償值，就可以把功率因數補償至0.9～0.95之間。只有在40kA電流熔煉過程中，補償后的最大功率因數為：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個階段：起弧階段，熔煉階段，補縮階段。起弧階段持續時間約1小時，電流由4kA慢慢升高；然后進入正常熔煉階段，電流一般為30kA～38kA，持續時間約4～5小時；最后進入補縮階段，電流逐步降低至8kA，持續時間約3～4小時。因此，熔煉過程有40%的時間是在低電流熔煉階段。

原功率因數補償方式是固定補償，即在熔煉的3個階段中，800kvar補償電容全部投入，在正常的熔煉階段，電流為30～38kA，功率因數可補償至0.9；但是，在低電流熔煉階段（起弧階段和補縮階段），對電網就有600kvar左右的無功過補償，造成功率因數不升反降。

4 功率因數過低的危害

眾所周知，這種長期存在的過補償已經改變了負載的性質，把原來的感性變為容性，電力系統中出現容性的無功電流，會造成供電線路中電流不減小，反而會隨著過補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不能小于0.9，公司也因功率因數不合格而被供電部門多次警告或罰款。

5 PLC控制補償方案確定

解決功率因數過補償的問題完全可以采用專業的動態補償裝置，但是采購這樣的補償裝置投資大，周期長，同時，還會增加真空自耗電弧爐的控制系統的復雜性。真空自耗電弧爐的控制系統主要由西門子S7-400PLC控制系統硬件，具有檢測整流電源的電流和電壓的模擬量硬件接口，和控制補償電容的開關量輸出硬件接口。我們完全可以利用電弧爐的PLC控制系統實現對整流電源功率因數的動態補償。

6 PLC編程實現

首先，我們可以根據表1，把無功補償電容分成8組，每組100kvar。然后，在S7-400PLC內新建1個FB功率因數補償功能模塊，通過OB1調用。在FB功能模塊程序中定義8個門限值，門限值分別為：5A，10kA，15kA，20kA，25kA，30kA，35kA，38kA。另外，定義8個控制輸出DO，分別控制8組電容補償器。根據表1，當熔煉電流大于相應的門限值時，即啟動相應數量的補償電容；當熔煉電流降低至相應門限值以下，就退減到相應數量的補償電容，完成功率因數動態補償過程。

7 結束語

本方案運行可靠，操作簡單實用，投資成本低。公司真空自耗電弧爐的整流電源，經整改采用PLC控制系統實現功率因數動態補償后，經多年運行測試，控制后的功率因數一直在0.9以上。公司也因功率因數的提高多次獲得供電部門的獎勵和表揚。

參考文獻

[1]李宏.淺談直流電弧爐用電源的發展[J].電源技術應用，2010（2）.

[2]張繼玉.真空電爐[M].冶金工業出版社，1994.