浅析电弧炉电极调节器原理
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摘 要：目前我国电炉电极升降主要采用以下几种自动调节装置;第一、可控硅-直流电动机式自动调节器;第二、可控硅-电磁转差离合器式调节器;第三、电液比例阀-液压传动式调节器;前两种调节装置均采用插板电子元件构成，由于电子元器件的性能不稳定，维护的工作量大。相比前两种调节方式，本公司现采用的是液压传动式调节器，液压系统的惯性小，启动、制动的升降速度快，力矩大，同时采用可编程控制器SIEMEN S7-300系列进行控制，整个电气系统结构紧凑、工作性能稳定，因此故障率低、维护方便，通过修改程序以满足不同的冶炼工艺要求，非常适合用来作为调节器使用，在大中型电炉上得到广泛应用。
关键词：电弧炉;电极;PLC;比例阀
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.151
1 HX2-10t交流电弧炉设备简介
HX2-10t交流电弧炉是利用电极间电弧产生的热能冶炼金属的一种设备。电弧炉炼钢就是利用石墨电极与炉料（或金属液）之间短路产生的电弧所产生的热量来熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金。
根据公司铸造车间的具体情况，本设备为废钢的熔化和冶炼设备，可全废钢冶炼。是高效优质钢生产线的重要保障，具有以下功能：常压下电弧加热、造渣脱磷硫、吹氧脱碳、 合金化、测温、取样、冶炼钢种中碳和高碳钢。
2 调节器的组成及工作原理
2.1 调节器的组成
调节器是有信号采集、模数转换、PLC、数模转换、功率放大、低压电器元件组成。
信号采集：由三只SAA-T2电流变送器（由电流互感器转换为相应的电流信号）、三只SAV-T2电压信号变送器、档位到位信号。
PLC：数模转换：由一个D/A转换模块中的四个通道提供三相电极控制信号，一路作为备用控制信号;一个A/D转换模块处理现场采集信号。
2.2 调节器的结构原理
取变压器短网处的三相弧压信号（0-300V AC）送至SAV-T2隔离电压变送器，产生三个正比于弧电流变化的4-20mA电流信号，接到西门子6ES7 331-7KF02-OABO模块，三相弧流信号经电流互感器转换后，产生三个正比于弧流变化的0-10A的电流信号，由SAA-T2隔离电流变送器转换后，产生三个正比于电弧电流变化的4-20mA的电流信号，接入到同一个A/D模块，A/D模块转换的数字量信号输入到PLC的CPU模块进行处理。
在PLC模块内部CPU运用写入的程序对上述信号进行转换处理、比较分析判断处理、数字运算处理，输出一个数字量控制信号，再通过PLC的内部数据总线传送给数模转换模块，数模转换模块再把这个数字信号转换成一个-10V～+10V的电压信号送入电液比例阀，由比例阀控制油缸驱动电极，从而达到自动调节电弧电流和电极升降速度的目的。
3 弧流自动控制过程
根据冶炼工艺的要求，PLC程序中设置最大弧流值，当电弧电流设定值与电流实际值产生偏差时，PLC电气控制系统将测量比较环节传来的偏差信号放大后，传给电液比例阀的电磁铁线圈，电磁铁在偏差信号的驱动下带动阀芯向左或向右移动。阀芯的移动控制着阀体的进液量，从而使进入液压缸的高压油增加或减少。增加时，电极升降立柱向上提升电极;减少时，依靠立柱和电极的自重使电极下降。但电弧处于稳定状态时，测量环节无信号输出，电液比例阀的阀芯处于中位，升降立柱不动。
4 电极升降速度自动调节过程
在PLC系统处于自动控制冶炼状态时，PLC程序中A、B、C三相调节器FC功能块根据现场采集的三相电弧电流信号和变压器短网电压信号，通过与不同冶炼期的设定值进行比较、程序运算处理得出参与控制的弧流和弧压参数。然后弧压参数及弧流参数输入阻抗公式计算出阻抗值和相应的设定值比较，偏差值经PI调节器进行正反向限幅，自动控制电极升降。控制灵敏度由PLC在控制电极升降过程中自动跟踪优化处理。当有低压侧过负荷，则电极自动快速提升从而解除低压侧过负荷。当电极快速下降过程中与炉料发生瞬间短路时，电弧电流的实际值大于电弧电流的最大设定值，这时PLC控制系统给出最大反向控制信号，在这个信号的驱动下电液比例阀控制液压油以最大流量进入液压缸快速提升电极，要以7～9m/min提升速度快速消除短路现象为佳。电极上升的过程中，弧流慢慢减小，则PLC输出的反向差值信号也逐步减小，电极上升逐步减速;当弧流的实际值达到电弧电流的设定值时，这时的PLC信号输出值为零，三相电极停止上升。当弧流的实际值小于电弧电流的设定值，此时通过PLC输出一个正向控制信号，在这个正向信号的驱动下电液比例阀控制液压油进入液压缸，电极在自重和液压缸驱动下快速下降;弧流实际值小于程序中设定值越多，差动信号值越大，电极下降的速度也越快。电极在下降的过程中，电弧电流逐步增大，PLC的D/A模块送出的正向控制信号值也将逐步减小，电极下降速度减慢;当弧流的实际值等于PLC程序的弧流设定值时，此时PLC的输出为零，电极停止下降。
5 冶炼稳定区控制
冶炼过程中的稳定区，也就是PLC给定值、实际三相电极的弧流值、弧压值三者关系的相对平衡，为防止断弧现象发生，就必须对电极上升、下降速度进行限幅控制，一般情况下上升、下降限幅值按1：2设定，此值可根据实际情况进行微调。调整时要适当改变比值、积分时间常数及升降速度幅值，以确保电弧炉顺利引弧并使冶炼弧流平稳。
根据电弧炉的特点，设定几个不同情况下的运算程序，经比较指令区分去对应的运算程序，运算结果由数模转换模块输出，并驱动电液比例阀，比例阀控制进入电极升降油缸液压油流量和方向，进一步实现电极的快慢升降动作。
6 小结
该篇论文通过对电极调节器自动控制原理的分析，便于设备维修技术人员真正掌握电弧炉自动炼钢电气原理，在电弧炉发生设备故障的情况下能及时、快速分析查找出故障点;同时在编写电极自动控制PLC程序時有一定的参考作用。
参考文献：
[1]王新江，傅杰.现代电炉炼钢生产技术手册[M].冶金工业出版社，2009.[2]杨拥民.自适应调节器在电弧炉控制中的应用[J].自动化学报，
1998.
[3]陕西方圆冶金设备有限公司.电弧炉使用说明书[S].2009.
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