1引言

電弧煉鋼爐是利用電能來煉鋼的，可是輸入爐內(nèi)的電功率大小是由三根電極位置來決定的，因此，對電弧爐操作系統(tǒng)而言，電極位置控制的準確性是關系到電爐鋼各項經(jīng)濟指標高低的大問題。在過去的機械傳動式電極調節(jié)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)采用調節(jié)電動機定子電壓的調壓調速式，但是，由于交流電動機調壓調速方式的機械特性太軟，速度控制和位置控制很不準確，所以，實際上只能達到很粗糙的控制，這就極大地影響了煉鋼質量和能耗指標。

本文所敘述的變頻調速式電極自動調節(jié)器是通過改變異步電動機定子供電頻率的方法來實現(xiàn)調速的。根據(jù)異步電動機的調速公式，電動機的轉速n可寫成：n=(1－S)=n0－Δn(1)

式中：f1為電動機定子電源頻率；

P為電動機的極對數(shù)；

S為轉差率；

n0為電動機同步轉速。

顯然，改變其定子頻率即可改變同步轉速n0和電機轉速n。只要平滑的改變頻率，就可得到轉速的平滑調節(jié)。由于變頻調速時，電動機始終運行在自然機械特性上，所以其轉速落差小，調速精度高、效率高、調速范圍寬，一般負載情況下，開環(huán)運行即可滿足要求，調速范圍可達100∶1以上。因此，變頻調速式電極自動調節(jié)器是一種理想的和具有方向性的調節(jié)器。該調節(jié)系統(tǒng)方框圖示于圖1。

2信號檢測及變換環(huán)節(jié)

爐子信號檢測及變換環(huán)節(jié)包括弧流變換器、弧壓變換器以及信號變換比較環(huán)節(jié)，如圖2所示。

21信號檢測

由電流互感器TA1檢測的大電流信號，經(jīng)由分流保護電阻R1分流，及經(jīng)弧流信號變壓器TA2進行信號隔離變換后，再經(jīng)AC/DC變換，實現(xiàn)對大電流線路中的電弧電流進行高速、高精度的隔離檢測，然后加至信號比較環(huán)節(jié)。電弧電壓信號經(jīng)變壓器TV1隔離變換及分壓電位器RP7調節(jié)后，再進行AC/DC變換，將電弧電壓信號降低成比較回路所需要的電壓值。

22信號比較環(huán)節(jié)

本調節(jié)器的信號比較環(huán)節(jié)，在電路結構上有重大改進，它摒棄了靈敏度差的電壓比較電路，而采用了高靈敏度、高精度的電橋電路。其優(yōu)點是：動作及返回

圖1變頻式電極調節(jié)系統(tǒng)方框圖

圖2信號檢測及變換比較環(huán)節(jié)圖

圖3電橋式比較電路的等值電路

速度快，輸出電壓的交流分量小，傳輸特性的線性度好，且與負載大小無關。該比較電路的等值電路示于圖3。從等值電路上可以看出，它與傳統(tǒng)電路不同之點是：比例于弧流信號的II同比例于弧壓信號的IV值在電橋的對角線負載RL電路內(nèi)進行比較，依靠改變α值（相當于電位器R的旋轉角度），來改變弧流設定值。根據(jù)圖3等值電路，該環(huán)節(jié)的輸入輸出特性可由下列公式導出：

省去推導，可得：uab=〔(1－α)EI－αEV〕（5）

由于本調節(jié)器中的RLR，所以可寫：

uab=uout=(1－α)EI－αEV(6)

式（6）給出了比例于弧流值的EI及比例于弧壓值的EV，同比較環(huán)節(jié)輸出電壓uout之間的關系式。當需要改變弧流設定值時，只要改變α（即改變電位器R的滑動觸點），uout即發(fā)生變化，經(jīng)過調節(jié)器的調節(jié)作用，使電極位置發(fā)生變化，結果弧流得到改變，從式（6）可以清楚地看出，該環(huán)節(jié)輸出電壓uout只與弧流和弧壓的信號差成正比，而與其他參量無關，從而證明了該環(huán)節(jié)理論上的正確性。電橋式比較電路還具有弧流整定范圍寬〔因為兩個橋臂同時向相反方向整定，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)竟達到（15～150）％Ie值，標準規(guī)定為（30～125）％Ie。〕，輸入阻抗小的優(yōu)點。后者特性非常寶貴，它可使前級電流互感器負載阻抗減小，經(jīng)測試，它將前級大電流互感器TA1的負載阻抗降為原來的1/3，即小于0.8Ω，這就使弧流控制和顯示準確度顯著提高，這也是調節(jié)器調節(jié)精度提高的原因之一。

3變頻式電極調節(jié)器的關鍵部件——高性能變頻器

為了使異步電動機供電頻率可變，自然需要一套變頻電源。但在過去，采用旋轉變頻機組或離子變頻器作為變頻電源，設備龐大，可靠性差。隨著大功率電力電子器件及變流技術的發(fā)展，特別是大功率IGBT的工業(yè)應用，使變頻器上升到一個新的臺階。目前，采用IGBT作為逆變器的變頻器型號很多，我們選用日本富士電機公司生產(chǎn)的FRN5000G11S型高性能低噪聲變頻器（圖4中U1），屬VVVF型，就是說在調頻的同時還要調壓。這是由于異步電動機的外加電壓近似地同頻率和磁通的乘積成正比，即

U1≈C1f1（7）

圖4變頻調速器及其外部連線圖

圖5鐵磁體空心轉子渦流分布圖

式中：C1為電機常數(shù)，由此有≈(8)

所以，若外加電壓不變，則磁通隨頻率的改變而改變。如果頻率從額定值（50Hz）往下降低，磁通會增加，最后會造成磁路過飽和，勵磁電流大大增加，鐵心過熱，這是不允許的，為此要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率和電壓同時改變，且要協(xié)調控制。

圖4中，U1為變頻器，M1為鐵磁體空心轉子異步力矩電機，F(xiàn)M1為冷卻風機、1PV5為模擬量頻率設定電壓表、1SA1為自動－手動切換用轉換開關、1RP11為手動控制設定頻率電位器、K11為交流電源接觸器。

在電弧爐電極調節(jié)器中引入變頻器之后，其調節(jié)性能和指標明顯改善，主要有以下幾方面：

——低速特性得到改善，由于逆變器采用矢量控制，實現(xiàn)了轉矩與磁通的解耦，逆變器輸出頻率和形成轉矩是由其內(nèi)部CPU完成的，即使在很低頻率下，也能以15倍額定轉矩啟動電機。

——高速有了保障，由于逆變器能夠提供高于50Hz頻率的電源，電機在短時間內(nèi)可高于其額定轉速運轉，使電弧爐電極同爐料短路時或塌料時，電極能夠快速提升。該特性很寶貴，能減少短路持續(xù)時間、延長變壓器壽命及節(jié)省電能。

——通過加速時間、減速時間、制動量和制動時間的設置，使調節(jié)器真正達到啟動、制動快，我們實測數(shù)為0.15s，并且停止定位準確。頻率控制精度為±02％。

——電弧爐是一個十分強烈的電磁干擾源，為了保證調節(jié)器可靠地運行，對整個系統(tǒng)，從逆變器到外圍電路，從輸入到輸出，從印刷電路板工藝設計到機架布線，從電源到接地系統(tǒng)都分別采取了抗干擾措施。變頻器本身又有電磁屏蔽，光電隔離，高低頻濾波，數(shù)字濾波，程序運行監(jiān)視，軟硬件冗余等技術措施。強有力的抗干擾措施使該調節(jié)器能夠安全可靠地運行。

4變頻式電極調節(jié)器的獨特執(zhí)行元件——空心轉子式異步電動機

隨著電磁場理論的不斷發(fā)展和完善及新型鐵磁材料的開發(fā)，近年來，已開發(fā)出調速性能優(yōu)異的交流異步電動機，其中具有代表性的當推鐵磁體空心轉子式異步力矩變頻電機。從工作原理來看，空心轉子異步電機所遵循的也是法拉第電磁感應定律，與普通迭片式轉子異步電機沒有什么區(qū)別，不同之點只在于轉子繞組形態(tài)和轉子磁路結構。迭片式轉子采取電路和磁路分離的形式；而鐵磁體空心轉子采取電路和磁路合為一體，采用鐵鎳銅合金制成整體式空心轉子，它既導磁又導電，既是磁路又是電路。當定子繞組通進三相交流電之后，產(chǎn)生的旋轉磁場穿過轉子體中，并在其中感生二次電流，此電流與鼠籠式轉子中的電流不同，因為在園筒狀空心轉子中，無固定的電流回路可資閉合，所以具有渦流性質，如圖5所示。該渦流同旋轉磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉矩，構成了空心轉子異步力矩電機的工作基礎。轉子結構的這一改變，就使得該種電機非常適合于作為頻繁起、制動的變頻式電極自動調節(jié)器的執(zhí)行元件。因為它具有可貴的過渡過程時間短的優(yōu)點。眾所周知，在電氣傳動系統(tǒng)中，特別是在頻繁起、制動的電弧爐電極自動調節(jié)系統(tǒng)中，執(zhí)行元件本身的機械過渡過程時間長短起著非常重要的作用，因為執(zhí)行環(huán)節(jié)的過渡過程時間通常占整個系統(tǒng)過渡過程時間的90％左右。而對控制電弧長度的電極自動調節(jié)器的要求，主要是動態(tài)指標，即響應時間要短，因為電弧長度在熔化期只有幾厘米，如果驅動電極的電動機的慣性太大，即起、制動都很慢，則勢必造成經(jīng)常拉斷電弧的缺陷，這既延長了熔化時間，又浪費了大量電能。這是電爐煉鋼的致命要害。

為了使調節(jié)器連續(xù)穩(wěn)定地運行，使電弧連續(xù)不斷地燃燒，必須選用過渡過程時間短的執(zhí)行元件，鐵磁體空心轉子異步力矩電機恰好能滿足這一要求。因其轉子結構為薄壁長套筒形空心結構，如圖6所示。這種結構的理論依據(jù)是基于其轉子電流滲透深度淺的緣故。因為電磁波在鐵磁體介質內(nèi)衰減非?？欤话阌行B透深度，即電磁波實際消失處的深度不超過1cm～2cm?？梢?，轉子材料的集膚效應相當強烈，電磁場高度集中在靠近轉子表面薄薄一層的環(huán)形體中，因此，轉子中間部分實無存在的必要，這就給制造薄壁長套筒形空心轉子結構提供了理論基礎，給頻繁起、制動的電弧爐電極自動調節(jié)器提供了有利的條件和高指標的保證。相反，鼠籠形轉子在選擇轉子軸向長度和轉子直徑關系時，往往受最少槽數(shù)的限制，有它的局限性。

一種能使手機、電腦等智能電子信息產(chǎn)品更加小型集成化的新型片式化變壓器將在我國實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。年產(chǎn)1000萬片的片型多層式壓電陶瓷變壓器生產(chǎn)線日前在西安正式開發(fā)建設，這標志著中國將成為繼日本之后能規(guī)模生產(chǎn)這種變壓器的國家。

由清華大學和陜西康鴻信息技術公司聯(lián)合開發(fā)的這種變壓器，屬于第三代智能化變壓器，其厚度僅1.5mm～2.5mm，體積僅是傳統(tǒng)變壓器的1/3，具有能量轉換率高、體積小、無電磁干擾等特點。

圖6薄壁長套筒形轉子結構

鐵磁體空心轉子異步力矩電機除了具有上述獨特的電氣特性外，在機械方面還具有機械強度高（整體結構）、結構簡單（無碳刷、無換向器、無滑環(huán)）、維修容易，可靠性高。另外由于空心轉子本身光滑無齒槽，在機械和電磁方面均具有非常好的平衡性，起動轉矩不因定子與轉子的相對位置而異，起動轉矩大，起動電流小，無振動，噪音低。

5變頻式電極調節(jié)器的調節(jié)過程

51點弧

因為變頻器不允許通過主回路直接啟動運行，所以先啟動變頻器，后合高壓真空開關，使電極下降。當首根電極觸及爐料時，弧壓信號為零，此時弧流也為零，首根電極停止下降；當?shù)诙虻谌姌O觸及爐料后，迅速產(chǎn)生工作短路電流，相應相電極升起，當電極電流都到了設定電流時，電極停止升降，電弧穩(wěn)定燃燒。

52小偏差信號時的調節(jié)過程

當弧流偏離設定值時，系統(tǒng)根據(jù)偏差信號的極性與幅值大小確定電極升降方向和速度，此時根據(jù)PID調節(jié)規(guī)律工作，當弧流大于設定值時，電極緩慢上升；當弧流小于設定值時，電極緩慢下降，系統(tǒng)的非作用區(qū)可調整，通常在100％Ie之內(nèi)。

53大偏差信號時的調節(jié)過程

當弧流偏離設定值過大時（比如大于18Ie時），如發(fā)生塌料或電極短路時，電極快速上升，此時調節(jié)器工作在快速上升區(qū)域；而當某相斷弧時，電極快速下降，此時調節(jié)器工作在快速下降區(qū)域。

54手動控制升降電極

在運行中，當需要人工干予時，可操作手動升降開關，使三相電極同時提升或下降，或某相電極上升或下降。

55弧流設定值面板設定

在運行中，可在線修改電流設定值，升降速度參數(shù)，以及非作用區(qū)參數(shù)等。

6結語

在電弧爐電極自動調節(jié)器中引入了高性能變頻器及空心轉子異步電動機后，其調節(jié)性能明顯改善，主要表現(xiàn)在：

——低速特性得到改善，即使在極低頻率下，也能以15倍額定轉矩啟動電機；

——高速有了保證，在電極發(fā)生工作短路時，能以極快速提升電極；

——調節(jié)器的控制精度得到提高，可達±02％；

——由于引進了空心轉子異步電機及變頻器實行再生制動，過渡過程時間小于0.15s；

——VVVF調速特性是使異步電機一直工作在自然機械特性上，故在調速過程中，沒有轉差損耗，所以傳動效率高、調速范圍寬和調速精度高。

我們采用的富士變頻器、臺安變頻器及華為變頻器配西安華興電爐有限公司研制的該種調節(jié)器，都取得了良好應用效果。