节能型PLC—变频式电极自动调节器
发布时间:2016-07-05 16:59:56
一、调节器技术条件
（一）调节器适用范围：
1、机械式电弧炉容量0.5t—40t，配用电极直径φ150mm—φ450mm。
2、机械式钢包精炼炉（LF炉）容量3t—30t，配用电极直径φ150mm—φ300mm。
3、适用于所有旧电炉改造。为了节省投资,原电弧炉用的电机减速机若无明显磨损可考虑不作变动；原用的富士变频器仅改变参数，更新为华美公司的PLC变频器控制系统也能取得相近的节能降耗效果。
（二）调节器型号规格
变频调节器的型号规格表示如下：
（三）自冷式交流小惯量电机主要技术参数
电机型号 | D11 | D1 | D2 | D3 | D4 |
形式容量 KW | 1.5 | 2.2 | 3 | 4 | 5.5 |
50HZ 空载电流A | ≤3 | ≤3.5 | ≤4.5 | ≤6 | ≤9 |
380V堵转电流A | ≤8 | ≤12 | ≤16 | ≤23 | ≤30 |
转速调节r/min | 0~1200 | 0~1800 | 0~1800 | 0~1800 | 0~1100 |
冷却方式 | 自然状态冷却(不通水、不吹风) | ||||
结构形式 | 全封闭、立式或卧式 | ||||
绝缘等级 | B 级 | ||||
自冷式交流小惯量电机（简称自冷电机）外型与普通鼠笼型电机相似，其技术性能比目前使用甚广的水冷电机和风冷电机优良：
第一、钢质空心转子，其转动惯量小，很适合于频繁地起动、正反转和无级调速。
第二、电机空载电流和堵转电流小，降低了变频器的发热。
第三、绕组绝缘等级提高到B级。
第四、电机为全封闭结构，既不通水，也不吹风，靠机壳散热，消除了在北方冬季管路冰冻、在南方潮湿季节结露以及停水、漏水等损坏电机的诸多隐患。
第五、便于维修，其维护修理与普通鼠笼电机相同。
（四）调节器主要技术指标
电炉容量t | 0.5 | 1.5 | 3 | 标准5 | 加大5~20 | 20~40 |
适配石墨电极直径mm | 150~200 | 200 | 250 | 300 | 350~400 | 400~450 |
配用电机型号 | D11 | D11或D1 | D2 | D2 | D3或D4 | D4 或两台D4 |
配置变频器容量KW | 2.2 | 3.7 | 5.5 | 5.5 | 5.5或7.5 | 7.5或11 |
电极升降最高速度m/min | 3 | 3.5 | 4 | 4~4.5 | 4.5~5 | 5.5~6 |
非灵敏区 | 各个冶炼时期5% | |||||
灵敏度（炉子放大系数） | 自适应调节灵敏度 | |||||
电弧电流调节范围 | 12~120%IH（变压器额定电流） | |||||
电极移动响应时间S | 升降起动≤0.15，升降制动≤0.1 | |||||
(五)技术要求：
1、调节器按照武汉华美节能技术开发有限公司设计的图纸制造(含自冷式交流小惯量电机)。
2、调节器能在下列条件下连续可靠地工作：
海拨不超过1000米，环境温度不超过40℃，相对湿度不超过85％。
3、调节器能迅速地实现“自动—停止—总提升”的转换，手动升降速度等于最高自动升降速度。
4、传动方式：蜗轮减速机—钢丝绳；蜗轮减速机—齿条。
5、安装方式：卧式电机—开式齿轮—减速机；
立式电机—减速机组；
6、操作台外廓尺寸：宽1500mm×高1220mm×厚820mm
操作台落地安装，底框尺寸：1500mm×550mm
7、对电炉立柱或小车的要求：
第一、所有转动部位必须用滚动轴承，运转灵活，构架的刚性足够；
第二、配重尽量平衡。
二、调节器的特点
本公司研发的节能型PLC—变频调节器与普通变频调节器相比有以下突出优点：
1、电极自动调节器按节电原理设计电路
电弧炉生产过程中烈火熊熊，不可避免地散失大量热能，对于每一座电炉，只要炉体结构、变压器容量和熔炼的钢种确定以后，单位时间的热量损失就大致确定，如果冶炼时间缩短，分摊到每吨钢的热量损失就小，所以都有一个寻求最佳冶炼功率，达到产量高、单耗低的目标。本调节器节电原理如下：
第一、非灵敏区小，控制电流在最佳范围运行，增大变压器出力。
电炉输入功率大小由供电电压和电流决定。档位电压与电炉容量、产品种类和冶炼时期有着密切关系，当电压选定以后，电流大小成为输入功率的关键。
所有调节器的任务都是控制冶炼电流，当电流大于上限值Imax时，电极提升，当电流小于下限值Imin时，电极下降。Imax与Imin的差值与其平均值的百分比称为调节器的非灵敏区，即非灵敏区为（Imax-Imin）/（Imax+Imin）。非灵敏区是评价调节器性能优劣的关键指标，国家标准GB10067.2—88规定，对中小容量电弧炉熔化期≤30%（电炉容量≤10t）或者≤20%（电炉容量＞10t）。非灵敏区越小，电流控制越准确，自动控制特性越好，本公司PLC调节器的非灵敏区为5%。
其优点之一是可以增大变压器出力。例如：江苏戴南某公司电炉变压器容量3200KVA，二次额定电流7700A,电炉变压器制造国家标准规定在熔化期允许超载20%运行，即最大运行电流9240A。如果熔化期按最大电流9240A电流运行，采用非灵敏区为20%的普通调节器，工作电流范围是5544-9240A，平均值7392A；当采用非灵敏区5%的自动调节器，Imax仍然保持9240A不变，工作电流范围将是8316-9240A，平均值8778A，后者平均电流增加了1386A，相当于增大容量576KVA。
优点之二是非灵敏区小，控制电流越准确，炉内温度就越好掌握。任何炉座，最佳冶炼电流都是根据冶炼工艺人工确定，不同时期有不同的数值，熔化期应该用最大功率，以缩短熔料时间，精炼期按工艺要求供电。
优点之三是非灵敏区小，配电操作的紧张程度减轻，可以由炼钢工兼职完成。
第二、电极移动响应时间短，减小电流波动，降低线路损耗。
电弧炉的工作状态是利用交流电弧加热炉料，电流总是波动的，尤其是在熔化期和氧化期波动剧烈。从电工学理论可知，波动电流可以按数学公式分解为由平均值电流I0和交变谐波电流If（称谐波电流）所组成。电流流经变压器绕组、短网铜管、软电缆、导电横臂、卡头及石墨电极，都会有电阻性发热，称为线路损耗，其功率为平均电流的I02·R与谐波电流的1/2 If2·R之总和。若电流无波动，则1/2 If2·R为零，若电流波动越大，则1/2 If2·R越大。线路损耗不能加热炉料，反而使导电部件温升增加，限制了设备出力，拖延了冶炼时间，增加了生产消耗。
事实上绝对恒定电流冶炼是办不到的，我们知道，能量等于功率与时间的乘积，如果说当电流偏小的时候，电极及时下降某一距离，当电流偏大的时候，电极及时提升某一距离，使电流尽快恢复给定值，尽量缩短大电流和小电流的时间，尽量减少电流波动的幅值，那么交变谐波电流所造成的线路能量损耗就会最大限度地减少。上述国标要求电极移动响应时间0.2-0.3S,本调节器电极移动响应时间0.1-0.15S，更能够迅速调整运行参数，达到降低线路损耗的效果。
第三、三相功率平衡供电，输入炉内功率最大。
电弧炉是三相电源供电系统，输入炉内的总功率P为A相、B相、C相功率之和，即P=PA+PB+PC，而单相功率PA（或PB或PC)=I·U相·CosΦ，电炉变压器次级接线为三角形，由于电弧电流与其电压的负电阻特性，所以对单独一相电极而言，仅仅增大电流，其功率未必会增加多少，反而容易导致有的相功率大，有的相功率小，从电工原理上可以证明，只有三相对称运行，PA≈PB≈PC（三相功率大致相等），PA+PB+PC才能获得最大值，功率因数CosΦ最高，炉内工作状况才最好，熔料和精炼升温都快。
本调节器冶炼总给定电流由一个电位器控制，四相（三用一备）统一给定，由数字显示表显示，一目了然，操作者可以方便地选择最适合的给定电流，实际冶炼电流将在给定电流的非灵敏区范围之内运行，实现三相功率平衡供电。另有四相电流分别给定的电位器，特殊情况下使用。
2、高可靠性，充分适应炼钢作业环境
为了保证高可靠性，华美公司产品是国内唯一设置4套独立PLC控制电路的调节器。
电极调节器是在恶劣的炼钢作业环境运行，其可靠性尤其重要。本调节器由四套PLC（选用德国西门子S7型）控制电路组成，其中三相在用、一相备用，各相电路彼此独立，互不影响，不会发生因某个公用元件出问题而引起整个调节器停止工作的故障。主用与备用的转换很方便。
控制系统的方框图如下：
华美公司PLC不设置“时间程序”，仅仅靠先进的技术和过硬的产品质量为用户服务。其他厂商生产的PLC电极调节器都设有“时间程序”，质保期后“时间程序”发挥作用，导致设备不能正常运行。
本调节器不设UPS电源。
3、调节器灵敏度的自适应控制，电弧燃烧稳定，冶炼时电网电压闪烁小
华美公司产品是国内唯一具有灵敏度自适应功能的调节器。
电极自动调节器的灵敏度十分重要。电弧炉依赖电弧作为热源，电弧的本质是高温下电离的导电气体，其导电性能随着温度变化而变化，导电性用“电压梯度β”表述（β=电弧电压/电弧长度），以10t电弧炉用260V线电压冶炼为例，电压梯度、电极位移与电弧电流的关系大致如下：
冶炼时期 | 电压梯度 β（V/mm） | 弧光长度 mm | 电极位移1mm 时 电弧电流变动参考值 |
熔化期 | 10～12 | 12～10 | 8%～10% |
氧化期 | 3.5～4 | 36～32 | 2.7%～3% |
还原期 | 1.1～1.2 | 116～106 | 0.86%～0.94% |
可见熔炼过程中电压梯度β随炉内温度的变化范围可以相差10倍，要调整同一数值的电弧电流所需要的电极升降位置移动在不同的冶炼时期是很不一致的，换句话说，电极位置移动相同，在不同的冶炼时期所引起的电弧电流变化也是很不一致的。为了使电弧稳定燃烧，电极升降控制系统必须具有适应电压梯度变化的能力，即选用恰当的灵敏度（也称为炉子的放大系数）。现在国内各生产厂都设置有灵敏度转换环节：有的操作“高灵敏—中灵敏—低灵敏”转换开关；有的操作计算机键盘调整灵敏度，选择或2、或3、或4……；有的通过显示器选择不同的供电曲线；总之都由人工选定，不能自适应调节。
如果灵敏度过低，电极跟踪不及时，冶炼电流忽大忽小，熔化时间拖长；如果灵敏度过高，电极升降串动严重，谐波电流加大，同样造成熔化时间拖长，而且容易使弧光暴露（资料介绍弧光温度5000℃左右），损失了大量热能，暴露在渣层外面的弧光还会直接烧损炉衬。
华美公司积累了1700多台各种类型电极调节器的设计制造及调试服务的经验，设计了PLC调节器的灵敏度自适应系统，由PLC的应用程序控制，冶炼过程中能适时（毫秒级）自动地调节灵敏度，对任何炉料，在熔炼的任何时期（点弧、熔化、氧化、精炼），任何给定电流(功率)，都能使电弧比较稳定地燃烧，电网电压闪烁小。
实践证明:使用本调节器后可以大大减少谐波电流对电网造成的污染。如果生产厂已经有了无功功率补偿装置，可以少配置或者不配置投资巨大的动态谐波补偿装置。
有了灵敏度自适应功能，点弧穿井期电极平稳下降，能比较快地穿井到炉底进入主熔期；当大部分炉料熔清，炉内出现了氧化气氛，钢水及钢渣翻腾，调节器能自行判断波动信号，保持弧光长度，电极不因强烈的氧化气氛而串动，弧光埋在泡沫渣内，热量大部分被渣层吸收，升温快，节电效果好。
4、塌料预检测功能和高速提升电极
华美公司产品是国内唯一具有塌料预检测并且随即高速提升电极功能的调节器。
电弧炉熔化期炉料下塌引起工作短路，强大的短路冲击电流带来不少危害，专业标准规定，当出现3倍额定电流时，开关必须在5秒钟跳闸。
本调节器在PLC的运行程序中设计有塌料预检测功能，当塌料刚刚有了征兆，即会被检测出来，并且采取相应措施高速提升电极，当塌料结束，及时解除高速，不拉断电弧。这一举措能有效避免高压开关跳闸，有效避免塌料打断电极。
5、电炉变压器的保护
电炉变压器的国家标准规定，当工作短路电流整定在三倍额定电流持续时间为6秒时，变压器各个部位应无损伤。实际上电炉变压器发生故障的几率还是比较高，根源多在电极调节系统，因为电炉变压器运行状态完全由调节器决定。
电炉变压器的保护有过电流跳闸，高温和轻瓦斯报警，压力释放及重瓦斯跳闸。前者是电流过载持续时间超过限度被迫切断电源，后者是故障已经成为事实才发出信号或切断电源。保护变压器的根本办法是提高控制系统的性能，消除故障的诱发因素，从源头上防范变压器的薄弱部件受损。变压器的常见故障及本调节器的对策如下：
第一、换档分接开关烧坏。分接开关触头的发热能量为Q=I2·R·t,其中I—电流的有效值、R—接触电阻、t—时间。正常I值不大，触头发热开关能够承受，但若是短路冲击电流出现3倍，则发热量为正常值的9倍，问题就严重了。从发热量机理可见，减小短路冲击电流值及其持续时间是降低发热的关键，本调节器反应时间快、灵敏度能自适应变化，电极提升有塌料高速，消除短路的时间短，自然就保护了分接开关。
第二、短路冲击电流瞬时高温使绕组绝缘损坏。防范措施与第一条相同。对这种冲击电流的发热，变压器高温报警是不起作用的。
第三、变压器持续过负荷损坏绝缘。依靠减小调节器的非灵敏区，过负荷现象可以得到有效控制。同时华美公司PLC调节器的运行程序设有电子过电流保护，能有效防止变压器长期缓慢过负荷造成的绝缘老化。
第四、接线头松动、引线铜带折断和线圈松垮。解决的办法是减小冲击电流数值和冲击电流的持续时间，只有用性能好的调节器。
第五、过电压击穿绝缘。变压器过电压多发生在切断电流的瞬间，过电压的数值：
e＝﹣L×di/dt。 L—变压器高压绕组的漏电感量
di—被切断电流瞬时值
dt—切断电流的时间
当使用真空开关dt数量级很小，强行切断数倍短路电流di值很大，产生的过电压就可能击穿变压器绝缘。电炉塌料是不可避免的，唯一途径是及时检测到塌料并且提高电极上升速度，让电极迅速脱离塌料，以不发生开关跳闸为最好。
6、调节器设置有对电动机、电极的可靠保护电路
电极升降必须有完善的保护：
1）、电极到底，自动停机并报警。
2）、电极到顶，自动停机并报警。
3）、炉料不导电和导电不良，自动停止下降并报警。
4）、电极不够长，自动延时停止下降并报警，如果熔池上升电流回复到正常值，调节器会恢复自动运行。
7、维护检修调试方便
各相PLC电路只有一块插件板（即PLC输入和输出的接口电路），电子元件少，故障率降低，可靠性增加。PLC电路的四块插件完全相同，有互换性，全国通用，对检修和判断故障十分有利，详见调节器使用说明书。
全部电器元件装在一个尺寸为宽1500mm×高1220mm×厚810mm的操作台内，避免了通常柜台分离、联络线缆众多的弊端，减少了维护工作量。
新操作台设置了原操作台板面上所有的开关仪表，现场安装时只须拆除原操作台，改换接线即可。
三、经济效果
普通调节器改进为节能型电极自动调节器能够取得良好的经济效果：熔炼时间缩短、电耗降低、电极消耗降低、炉衬寿命提高。
例如上述江苏戴南某公司3200KVA电弧炉2008年投产，原用株洲某厂变频调节器，2011年7月改用华美公司调节器，考核18个月的经济指标如下：
1、熔炼时间缩短25-30min/炉以上，为避开高峰用电（高价电）创造了必要条件。
每天熔炼4炉钢，可以累计缩短100min熔炼时间,那么将21:00-22:00的高价时段移到低价时段运行，高峰电价1.00元/KWh，平段电价0.62元/KWh，低谷电价0.31元/KWh，功率因数为0.85，按这种方式组织生产，每天可以节约高峰低谷电费差价（1.00-0.31）×3200×120%×0.85=2252元，若每月生产26天，节约5.8万元。
2、熔炼电耗降低50kwh/t以上。
3、电极消耗降低1kg/t。
4、炉衬寿命提高10%。
5、可靠性高，无故障运行。
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