直流電弧爐電極升降控制系統(tǒng)的問題分析與技術(shù)改進(jìn) 1概述 直流煉鋼電弧爐在冶煉過程中，其初始熔化、熔化、氧化和還原各個(gè)階段對供電制度（即電壓、電流的大?。┯兄煌囊螅郧蠊?jié)能降耗、提高工效、達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 與交流煉鋼電弧爐的控制方式不一樣，直流電弧爐的弧壓（即電弧電壓）和弧流（即電弧電流）的大小是由兩套完全獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別控制的，弧壓和弧流可以線性地分別獨(dú)立地進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足冶煉工藝對供電的要求。 弧流調(diào)節(jié)系統(tǒng)以晶閘管整流器作為調(diào)節(jié)對象，電弧電流自動(dòng)閉環(huán)穩(wěn)流調(diào)節(jié)器控制晶閘管整流器直流輸出電流，有靜態(tài)情況下，自動(dòng)穩(wěn)流系統(tǒng)可以保持弧流恒定不變。在有效控制范圍內(nèi)，弧壓的變化不會(huì)引起弧流隨之而變，這樣就為獨(dú)立調(diào)節(jié)弧長和弧壓創(chuàng)造了條件。 直流電弧爐在冶煉過程中，電極升降控制系統(tǒng)以電極定位機(jī)構(gòu)為控制對象，其主要作用是調(diào)節(jié)電弧弧柱的長度（即弧長）。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料分析，電弧電壓Va和電弧長度la之間近似地存在著以下關(guān)系： Va=kala 式中ka=0.6～1.1V/mm稱之為電弧電壓梯度，弧壓梯度大小的變化取決于爐內(nèi)的氣氛。相對于弧流和弧壓的變化速度而言，認(rèn)為ka值的變化十分緩慢，可近似地看作常數(shù)。由此可見，弧壓與弧長成近似的線性關(guān)系。調(diào)節(jié)弧長的長短相當(dāng)于調(diào)節(jié)弧壓的高低。當(dāng)弧流恒定不變時(shí)，調(diào)節(jié)弧長也相當(dāng)于調(diào)節(jié)電弧功率的大小。因電弧功率Pa=IaVa。所以，電極升降控制系統(tǒng)性能的好壞直接影響電功率的輸入和電爐的運(yùn)行狀態(tài)。 2存在的主要問題和原因分析 甘肅華藏冶金集團(tuán)特殊鋼廠兩臺標(biāo)稱容量為5噸的直流煉鋼電弧爐于1997年開始投入試運(yùn)行，投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)電極升降控制系統(tǒng)工作不正常，存在的問題主要表現(xiàn)為： （1）運(yùn)行不穩(wěn)定，電極竄動(dòng)頻繁、持續(xù)時(shí)間長，電爐不能連續(xù)穩(wěn)定地獲得有效的電弧功率輸入； （2）弧壓低，在交流電壓最高的第五檔，弧壓（直流）值也只能達(dá)到250V左右，嚴(yán)重地限制了電弧功率的提高，變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也相對較低； （3）弧壓調(diào)節(jié)范圍小，實(shí)際弧壓值不是跟隨給定弧壓值線性地變化。控制性能不能滿足冶煉工藝的要求,不能準(zhǔn)確地將弧壓穩(wěn)定在給定的值上； 圖1原調(diào)節(jié)器基本原理圖 圖2弧壓和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器基本原理圖 （4）電路故障率高，經(jīng)常停電檢修，調(diào)整或更換元器件，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。 根據(jù)試運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的問題，經(jīng)過仔細(xì)的現(xiàn)場觀察和對控制電路系統(tǒng)的認(rèn)真分析，認(rèn)為發(fā)生以上問題的主要原因有以下幾個(gè)方面： （1）仍沿襲交流電弧爐的控制概念，存在概念不清的問題。以弧壓給定和弧壓反饋信號之差值作速度調(diào)節(jié)器之給定，未設(shè)差值放大環(huán)節(jié)。原調(diào)節(jié)器電路圖如圖1所示，是原有的電極升降調(diào)節(jié)器的基本電路原理圖。由圖可見，該電路中沒有設(shè)電弧電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，反饋的弧壓信號Uf經(jīng)4N2組成的比例放大器進(jìn)行比例系數(shù)變換之后直接與給定電位器輸出的弧壓給定信號Ug進(jìn)行串聯(lián)比較，比較的結(jié)果產(chǎn)生的差值信號直接作為速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器的給定。比較差值信號沒有進(jìn)行放大，二者之間的靜差太大，使得反饋與給定之間不可能有很好的跟隨性能。從而導(dǎo)致弧壓調(diào)節(jié)范圍小，不能準(zhǔn)確地將弧壓穩(wěn)定在所給定的值上，而且限制了弧壓的提高。即使在最高電壓檔（AC250V），弧壓（直流）也只能在250V左右來回?cái)[動(dòng)。同時(shí)，也導(dǎo)致變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)偏低。 （2）電路設(shè)計(jì)方面存在的問題較多?？刂瓢迳峡刂齐娫床捎脝蜗嗾麟娐?，穩(wěn)壓器輸入端沒有足夠容量的電容器進(jìn)行濾波。導(dǎo)致控制電源，尤其是主電源上的紋波成分相當(dāng)嚴(yán)重，直接干擾電路正常工作。 輸入調(diào)節(jié)器的反饋信號和給定信號電路，都沒有設(shè)置必要的濾波環(huán)節(jié)對信號進(jìn)行濾波。信號上疊加的瞬態(tài)干擾信號容易導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定。 從調(diào)節(jié)器上引出到操作臺去的來回連接線太多，這些外引線在傳輸信號的同時(shí)也會(huì)將環(huán)境中的電磁干擾信號引入控制電路。作為長距離弱信號傳輸線，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取一些必要的隔離，濾波和保護(hù)措施，原電路設(shè)計(jì)中都沒有予以足夠的重視。速度調(diào)節(jié)器輸出信號沒有設(shè)限幅電路，導(dǎo)致觸發(fā)器移相范圍的上、下限不固定，容易漂移，致使送到力矩電機(jī)的電壓不對稱。 主電路采用半控式晶閘管和二極管模塊，雖可以降低部分成本和減少部分觸發(fā)單元，但不容易保證交流調(diào)壓電路輸出的電壓波形完全對稱。電壓波形不對稱對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能影響是不可忽視的。 控制電路中元器件參數(shù)選擇不盡合理，各參數(shù)之間不匹配。由于參數(shù)不匹配，導(dǎo)致電路的性能無法得到保證，甚至使其工作性質(zhì)都發(fā)生了變化，致使元器件損壞現(xiàn)象嚴(yán)重。 （3）元器件和制作方面的質(zhì)量問題也比較突出，故障隱患多?？刂瓢迳系牟糠衷骷?shù)經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)整定和頻繁的更換，使得電路板上存在很多的脫焊、虛焊、隱性短接和插接點(diǎn)接觸不良等現(xiàn)象，影響電路板可靠、穩(wěn)定的工作。 3技術(shù)改進(jìn)措施和運(yùn)行效果 針對上述存在的問題和原因分析，在原有基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有條件對電極升降控制系統(tǒng)作了部分改進(jìn)，具體改進(jìn)措施和運(yùn)行效果如下： （1）調(diào)節(jié)器的改進(jìn) 原有系統(tǒng)中只有一個(gè)速度調(diào)節(jié)器，是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，電弧電壓反饋信號僅僅作為一個(gè)擾動(dòng)信號在系統(tǒng)中起作用?？紤]到電極升降控制系統(tǒng)的最終控制目標(biāo)是穩(wěn)定弧壓，應(yīng)該對弧壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。設(shè)置一個(gè)自動(dòng)閉環(huán)的弧壓調(diào)節(jié)器作外環(huán)，將速度調(diào)節(jié)器作內(nèi)環(huán)。改進(jìn)后的內(nèi)、外環(huán)調(diào)節(jié)器基本原理圖如圖2所示。由圖2可見，改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器是一個(gè)由弧壓調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的典型的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)。將弧壓給定和弧壓反饋信號由串聯(lián)比較改為并聯(lián)比較，將兩組公共點(diǎn)沒有連通的＋15V、－15V電源的公共點(diǎn)連通。 （2）更換、調(diào)整部分元器件及其參數(shù) 為了適應(yīng)控制電路的整體要求，除調(diào)整控制電路的電路結(jié)構(gòu)之外，對電路中部分元器件進(jìn)行了更換，或調(diào)整其參數(shù)，以滿足系統(tǒng)的基本要求。 弧壓調(diào)節(jié)器按大慣性調(diào)節(jié)器設(shè)定元器件參數(shù)，其靜態(tài)放大倍數(shù)設(shè)定在3～6倍之間，以提高實(shí)際弧壓與給定弧壓之間的跟蹤性能，同時(shí)減少二者之間的靜態(tài)差值。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按小慣性調(diào)節(jié)器選配元器件參數(shù)，以提高力矩電機(jī)動(dòng)作的靈敏度。其靜態(tài)放大倍數(shù)控制在3～5倍范圍內(nèi)。 在現(xiàn)有條件下對電路板進(jìn)行重新修復(fù)，盡量減少因制作質(zhì)量問題帶來的故障隱患。 （3）運(yùn)行效果 電極升降控制系統(tǒng)經(jīng)過上述兩個(gè)方面的改進(jìn)和重新修復(fù)后，于1998年10月份投入系統(tǒng)使用。從使用情況看，改造的基本目的完全達(dá)到了，這主要表現(xiàn)在: ①電極竄動(dòng)現(xiàn)象明顯減少。除因個(gè)別輕薄爐料在熔化中引起一些竄動(dòng)之外，一般情況下不會(huì)發(fā)生明顯的竄動(dòng)現(xiàn)象，能夠保持連續(xù)穩(wěn)定地供電，對加快熔化速度產(chǎn)生了明顯的效果。 ②最高電壓檔的弧壓電壓（直流）有明顯的提高，由原來的250V左右提高到300V左右，并且能夠?qū)⒒罕容^準(zhǔn)確地穩(wěn)定在給定值上，這樣就可以連續(xù)穩(wěn)定地將電弧功率由3500kW提高到4200kW，提高約20％，電弧功率的提高對加快冶煉速度、縮短冶煉時(shí)間具有明顯的作用。 ③電弧電壓能夠比較好地跟隨給定弧壓。其有效調(diào)節(jié)范圍和線性性都能滿足冶煉工藝的要求，為獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)創(chuàng)造了條件。力矩電動(dòng)機(jī)損壞次數(shù)明顯減少。 盡管取得了以上三個(gè)方面的效果，但由于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作存在先天不足，電路工作的穩(wěn)定性仍不十分理想，元器件損壞的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生。 4結(jié)語 直流電弧爐電極升降控制方法有別于交流電弧爐電極控制方法，應(yīng)該設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)、弧壓調(diào)節(jié)為外環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。電路中元器件參數(shù)的選取極為重要，必要的保護(hù)措施也必不可少。制作質(zhì)量的好壞直接影響設(shè)備的可靠性和正常運(yùn)行。作為成套供應(yīng)商應(yīng)選擇專業(yè)廠家定制此類關(guān)鍵設(shè)備。