LF鋼包精煉爐電極升降調節系統的優化應用

宋文學　王志春　劉躍

摘 要：本文介紹的LF鋼包精煉爐電極調節器以PLC作為核心，配套相應的硬件檢測，軟件編程等，該系統運用恒阻抗控制的理念對電極進行調節控制。

關鍵詞：調節器；電極；恒阻抗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.027

1 概述

本文優化改造前LF鋼包精煉爐的電極調節系統為恒阻抗控制。調節系統設備雖然一直在運行，但性能較差，其系統存在以下幾大問題：

（1）現有電極調節系統，理論上是阻抗方式的閉環 PID控制器，其實際控制效果較差；

（2）弧壓信號采集的實際接地系統不規范，直接影響了反饋信號的變化量，發生了信號量的偏移；

（3）測量信號變送（轉換）器在有諧波環境下，導致反饋信號的跟蹤誤差大；

（4）系統雖然為 PID 調節，從通電到停電的冶煉全過程，三根電極不同程度系統振蕩。

（5）系統實際沒有進行功率圓的計算，調節系統沒有運行在功率圓圖上的最佳工作點。

（6）三根電極立柱及比例閥的固有特性是不同的，特別現有的 A相比例閥調整產生了偏移，使其特性發生了變化。

現有的調節系統其控制方式為虛設、調節特性極差、電極振蕩明顯，功率因數偏低，無功損耗偏大。

電極升降調節系統優化主要采用阻抗控制方式，三個獨立的阻抗控制器疊加一個過電流控制器，增加短路智能響應，阻抗工作點和短路值等參數設定。

2 調節器的硬件配置

2.1 控制系統的核心設備

一套調節系統PLC，帶有相應的開關量和模擬量輸入輸出模板，用于電流、電壓信號的輸入，液壓閥值的輸出以及相關開關量的輸入輸出。電極升降調節控制系統需要設定的所有參數都可以在HMI的畫面上方便的進行設定。當然參數修改設置將有口令保護，不同的參數修改需要對應不同的權限。三個獨立的阻抗控制器的比例系數可以自動調整，均采用PI 控制算法，完成三個電極阻抗的獨自自動調節功能。

2.2 數據采集

2.2.1 電壓測量方法

電弧電壓的檢測從變壓器的二次側接入電壓檢測箱，通過定制的電壓互感器轉換成標準信號。電壓互感器的中性點設置在鋼包車四個車輪與鋼軌接觸四點的交叉中心點，經單獨的電纜接入到電壓檢測箱。

2.2.2 電流測量方法

通過變壓器原邊設置的電流轉換器可測得的變壓器的一次側電流，通過電流變送器轉換為標準信號接入到電極升降調節系統。

3 電極調節調節系統的軟件編程優化

3.1 阻抗計算的實現

電極升降調節系統的理論控制計算應用“功率圓圖”的工具，來計算LF鋼包精煉爐的變壓器各檔位下的最佳工作點（圖2）。

這些數值在上圖以圖形化方式顯示出來，圓圖中顯示了各個工作點的的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數，電弧長度以及電極電流之間的相互關系。

一個操作點只能處于一個變壓器的抽頭曲線上，要改變到另一個變壓器的抽頭曲線上，就通過變壓器的分接開關切換變壓器檔位。根據功率因數曲線和功率曲線交叉點確定某一個抽頭圓線上的操作點，不同的工作點組合在一起，就可變成特性曲線。可以從6個這樣的特性曲線中選出最佳操作點進行設置來適應不同的操作條件。通過計算得出的阻抗設定值輸入預置的數據庫，崗位操作人員可以在不用改變控制程序的快速切換預置阻抗設置參數。

3.2 點弧程序

點弧階段電弧過長極易造成三相電源的不平衡，所以在點弧過程中，應設置分步的控制速度力求迅速點弧成功進入自動調節。當三相電流為零，三相電壓為定值時，此時可以較快的速度下降電極。當經過一段時間后，改為慢速自動調節，間隔時間由限位開關及下降速度求出。

電極不接觸熔池，在這種情況下，幾乎所有的相都能測量相同的相電壓，并且假設系統內的絕緣是相同的。雖然與熔池不接觸，也能測量電壓。

當A相電極下降接觸熔池，短路并輸出一個大致為零伏的電壓，其他兩相的電壓提升到變壓器的三角形電壓，三相都沒有電流，停止了A相電極的下降動作；B相電極接觸熔池，兩個電極產生短路電流，兩個電極微微提升；三相電極稍微下降直到有電流產生，當三相弧流達到預設的門檻值時點弧完成，電極調節進入自動控制狀態。

3.3 液壓閥特性曲線

電極的速度曲線歸根結底就是液壓閥的特性曲線，其線性系數、死區、零點偏置三個參數對電極調節器的性能至關重要。

大多數液壓伺服閥均存在死區，伺服閥在中性點附近的死區需要特殊處理，否則將影響調節的穩定性。輸入信號的絕對值與死區值進行比較，當小于死區值時，輸出信號封閉，電極不做任何調節；當大于死區值時，輸出信號隨輸入信號線性變化，電極自動調節。

閥的零點標定：受液壓缸的內泄等因素影響，閥的零點與控制零點可能不一致。為加快調節速度，調節區時初始值一般為控制零點對應的數值。

3.4 過壓補償

高壓系統的過壓將引起工作點的偏移，因此比較變壓器一次側電壓額定電壓，超過偏差值并達到一定時間時，調整阻抗設定值。

3.5 接觸非導電物的電極調節

升降液壓缸內的壓力可以通過壓力變送器將液壓缸連接的液壓管道的壓力值轉化為標準信號供PLC連鎖使用。

當出現鋼渣在鋼液面結殼情況時，電極無法正常下降，液壓缸內的壓力持續下降，此時極易造成電極折斷。電極升降調節系統檢測到某一相壓力低于一個報警設定值時，控制此電極快速上升，然后再次下落點弧。成功點弧則進入自動控制模式。若連續出現三次接觸點弧不成功，三相電極將全部提升至高位停止，同時發出電極接觸到非導電物聲光報警。

4 其他保護控制的優化

4.1 過電流控制

當檢測的弧流超過最大電流保護設定值時，過電流控制功能自動投入，電極反饋的弧流越大，電極提升速度越快。當出現超過設定的允許電流時，三根電極同時以最大速度緊急提升。

4.2 短路控制

若阻抗實際值低于最小極限值且超過保護時間設定時，短路控制功能自動投入。當短路狀態超過設定時間，相應電極的阻抗設定值附加一個速度值，電極快速提升；緊急情況下電極升降調節系統開啟液壓旁路閥，以最快速度提升電極。

4.3 高壓斷路器保護

電極升降調節系統實時監控三相電極電流，當超過高壓斷路器設定的最大電流值時，電極升降調節系統將給出高壓斷路器分閘信號切斷高壓電源。

4.4 變壓器換檔保護

LF鋼包精煉爐變壓器的分接開關，主要實現檔位的變換，為防止檔位切換時高電流對分解開關觸點的損壞，檢測電極電流是否低于切換檔位的保護值，滿足條件可以進行檔位切換，否則不予換擋。

5 結語

優化改造后的電極升降調節系統使精煉爐在正常進行鋼水加熱過程中三相橫臂（指電極）穩定，上下波動無振蕩現象；電流波動范圍明顯減小，弧光熱效率提高并電極斷裂減少。

控制各個冶煉階段的電弧長度，確保電極在三個周波內穩弧，可大大縮短點弧階段穩弧時間。在確定變壓器工作檔位條件下，按照功率圓的方式，重新設置變壓器與短網固有特性下的阻抗設定值，將最大有功輸入鋼水，自動選擇匹配的阻抗最佳工作電流；在各個冶煉工藝階段埋弧穩定、提高熱效率，減小電流的波動幅度，降低能源消耗和電極損耗，提高效率和設備壽命。

作者簡介：宋文學（1982-），男， 山東桓臺人，本科，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。