电弧炉电极调节器的参数自整定

电极调节自动控制系统电弧炉炼钢的关键技术就是电极调节过程，本文结合某钢铁厂的实际情况叙述了电极调节的自动控制系统实现过程，经现场调试后达到了理想的控制效果。

标签：电弧炉；电极调节；可编程控制器1 前言电极调节是电弧炉炼钢中的关键技术，电弧炉是以电能为热源冶炼钢和合金的设备，电极调节系统是整个电弧炉系统中的一个重要组成部分。

电极自动調节装置的作用就是快速调节电极的位置，保持恒定的电弧长度，以减少电流波动，维持电弧电压和电流比值的恒定，使输入功率稳定，其工作效果好坏直接影响到钢水质量和用电单耗。

手动控制过程中容易出现过流、断弧等现象影响正常的钢水加热，且不容易控制三相平衡，因此只有良好的自动控制才能实现高质量、高效率和低电耗。

2 控制原理在电弧炉冶炼过程中，一般要求电功率保持不变，恒功率调节。

通过抽头变压器选定档位后输入到电弧炉的功率与电弧的长短有直接关系，当电弧长度发生变化时，输入的炉内的功率将随之而变，对电弧炉电气设备的要求就是在最佳输入功率曲线下维持需要的电弧长度。

电弧炉电极控制方式采用固定电流和电压比的方法——阻抗控制，就是在不同的档位电压下，选择不同的电流曲线维持恒定的功率，当电弧电流大于最佳供电曲线电流时，应提升电极；当电弧电流小于最佳供电曲线电流时，应下放电极。

电极升降的速度与偏差相关，偏差越大升降速度越快，偏差小时进行微调，保证了调节系统的快速性和稳定性，使电弧电流波动较小，三相功率平衡。

不管采用什么算法，但最终的控制要求为：（1）提高钢材质量，能量利用率高，减低用点单耗。

（2）提高工作效率，控制简洁。

（3）控制系统响应快，稳定性好，超调量小。

（4）维持三相平衡，谐波分量较小。

3 系统组成3.1 硬件组成3.1.1 可编程控制器由电源模块PS407、CPU412和工业以太网模块、模拟量输入模块SM431、模拟量输出模块SM432、数字量输入模块SM421、数字量输出模块SM422等组成。

变频式电弧炉电极自动调节器
1引言
电弧炼钢炉是利用电能来炼钢的，可是输入炉内的电功率大小是由三根电极位置来决定的，因此，对电弧炉操作系统而言，电极位置控制的准确性是关系到电炉钢各项经济指标高低的大问题。

在过去的机械传动式电极调节系统中，绝大多数采用调节电动机定子电压的调压调速式，但是，由于交流电动机调压调速方式的机械特性太软，速度控制和位置控制很不准确，所以，实际上只能达到很粗糙的控制，这就极大地影响了炼钢质量和能耗指标。

本文所叙述的变频调速式电极自动调节器是通过改变异步电动机定子供电频率的方法来实现调速的。

根据异步电动机的调速公式，电动机的转速n可写成：n=(1－S)=n0－Δn(1)
式中：f1为电动机定子电源频率；
P为电动机的极对数；
S为转差率；
n0为电动机同步转速。

显然，改变其定子频率即可改变同步转速n0和电机转速n。

只要平滑的改变频率，就可得到转速的平滑调节。

由于变频调速时，电动机始终运行在自然机械特性上，所以其转速落差小，调速精度高、效率高、调速范围宽，一般负载情况下，开环运行即可满足要求，调速范围可达100∶1以上。

因此，变频调
速式电极自动调节器是一种理想的和具有方向性的调节器。

该调节系统方框图示于图1。

2信号检测及变换环节
炉子信号检测及变换环节包括弧流变换器、弧压变换器以及信号变换比较环。

电弧炉电极调节系统模糊自适应PID控制器设计鲁军;李亮【摘要】电弧炉炼钢系统是一个非线性、强耦合、多变量的系统,采用传统的PID 控制很难取得理想的控制效果.基于恒阻抗控制策略,运用模糊数学的基本理论和方法设计模糊自适应PID控制器,该控制器可实时调整PID参数,使电极调节系统工作在最佳状态.仿真结果表明控制器能够有效地调节电极的升降,将电弧的弧长控制在期望值,可有效降低能耗,提高炼钢产品质量.【期刊名称】《沈阳理工大学学报》【年(卷),期】2015(034)002【总页数】5页(P1-5)【关键词】电弧炉;电极控制;三相耦合;恒阻抗;模糊自适应PID【作者】鲁军;李亮【作者单位】沈阳理工大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110159;沈阳理工大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】TP273.3近年来，电弧炉炼钢已经广泛应用于钢铁制造。

电弧炉利用电极与炉料间产生的高温电弧来熔化金属和矿石，弧区温度一般可达到3000℃以上。

电弧炉比其他炼钢炉工艺更适于优质合金钢的熔炼，因为它能有效地除去硫、磷等杂质，且炉温容易控制，灵活性强。

在炼钢过程中，通常要求电弧炉干扰小、功率高、耗电少，此时需要通过控制三相电流的大小，使电弧炉主回路稳定运行。

电弧炉电极调节系统的对象是弧长，但是不能通过合适的检测装置测得，因此只能通过改变电极的位置来调节弧长，从而控制电流的大小。

尤其在熔化期，炉料在电弧的作用下激烈反应，并伴有金属飞溅和蒸发，很容易发生短路、断弧和炉料的坍塌，此时需要快速、准确、实时地调节电极的位置，使电弧炉工作在最佳状态。

为此，国内学者已经做了一定的研究[1-3]，并取得了不少理论成果。

采用恒电流控制策略，可以使炉内输入功率和电网电流保持平稳，控制器的灵敏度也很高，但是这种控制策略并不能消除三相电极间的耦合作用，当其中一相电流发生扰动时，其余两相电流也会受到影响，给电极调节器带来困难。

浅析电弧炉电极调节器原理电弧炉电极调节器是电弧炉的重要部件，它能够对电弧炉的电极进行调节，从而使电弧炉的工作更加稳定和高效。

本文将从电弧炉的工作原理、电极调节器的功能和原理、以及电极调节器的优势等方面来进行浅析。

一、电弧炉的工作原理电弧炉是一种使用电弧加热原理来进行冶炼的设备，其工作原理是利用电弧将固体物质加热融化，然后通过将熔化的物质浇铸成型。

电弧炉通常由电极、电极支架、电极调节器、电力系统等组成。

电弧炉的运行过程中，首先是通过电力系统将电能转换为热能，然后利用电极产生的电弧来将物料加热融化。

电弧炉是一种能耗低、污染小、操作简单、自动化程度高的设备，因此在冶金行业中得到了广泛的应用。

二、电极调节器的功能和原理电极调节器作为电弧炉的重要部件，其主要功能是对电极进行调节，使之保持在合适的位置和状态，从而保证电弧炉的正常工作。

电极调节器采用自动化控制系统，能够对电极的位置、角度、伸出长度等进行实时监测和调整，确保电极与炉料之间的距离和位置保持在最佳状态。

电极调节器还能够根据电弧炉的工作情况进行自动化调节，使电极的操作更加稳定和高效。

电极调节器的原理主要是通过传感器来监测电极的位置和状态，然后将监测到的数据传输给控制系统，根据设定的参数进行调节。

传感器通常采用接近开关、光纤传感器或者激光传感器等，能够实时监测电极的位置和伸出长度。

控制系统通常采用PLC（可编程逻辑控制器）、PID控制器等，能够根据传感器监测到的数据来进行实时分析和调节，从而实现电极的精准控制。

电极调节器作为电弧炉的重要部件，具有许多优势，如下：1.自动化程度高：电极调节器采用自动化控制系统，能够实现对电极的实时监测和调节，能够自动适应电弧炉的工作情况，提高了生产效率和质量。

2.精准控制：电极调节器能够通过传感器实时监测电极的位置和状态，然后通过控制系统进行调节，使电极的位置和伸出长度保持在最佳状态，从而保证电弧炉的正常工作。

3.智能化管理：电极调节器可以通过与电弧炉的其他设备进行联动，实现智能化管理和控制，提高了生产效率和安全性。

普通电弧炉的一般设计与电极升降控制摘要：为了提高所熔炼速度和钢水的质量、减少电能及电极的消耗量、保证维持规定的电气工作条件，使设备获得较高的生产率。

从电弧炉的一般设计概况，到电弧炉电极的升降控制。

系统了解电弧炉中存在的缺点与不足。

通过分析，更好的提高电气控制的稳定性，提高电网提高熔炼速度。

关键词：电弧炉、短网电流、电极升降。

目录一、电弧炉的简介及特点1.电弧炉简介2.电弧炉特点二、电弧炉的一般设计1.电弧炉组成部分2.炉体设计3.变压器设计4.短网电流的计算5.电极直径计算6.电极升降计算7.其他相关参数三、电极升降自动控制1.调节器的组成及工作原理2.调节器的结构原理四、小结五、参考文献一、电弧炉的简介及特点1.电弧炉简介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。

电弧炉炼钢就是靠电极与炉料之间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金。

现代化炼钢电弧炉均为直接加热、炉底不导电式电炉。

该电炉按直接加热金属的原理工作，电弧发生在每一电极与炉料之间，己熔化的金属则形成负荷的中心点。

2.电弧炉的特点电弧炉进行冶炼，电弧炉是一个多变量、非线性、大滞后、强藕合、时变、随机干扰较强的系统，使得系统电极位置、电弧长度、电弧电流以及系统功率很难保持最佳工作状态。

电极升降调节系统是电弧炉的重要组成部分，其工作性能的好坏直接影响钢的产量、质量和能源消耗。

在电弧炉冶炼过程中，三相交流电弧炉的电力负载是不稳定的、不对称的；无功冲击及闪变；产生谐波电流。

电弧炉的整个炼钢过程一般分为熔化期、氧化期、还原期三个时期，由于各个时期所完成的任务不同，因而相应地对冶炼温度和功率的要求也不同。

（熔化期）开始熔化阶段，固体炉料熔化，能量需求最大。

（氧化期）初精炼及加热阶段。

（还原期）精炼期，此阶段输入能量只需平衡热损耗。

在废钢冶炼时电弧炉的工作特性为：在开始熔化时电弧频繁出现截断和重新燃弧。

电弧炉电极升降系统的建模及其自适应控制摘要电弧炉炼钢是一个典型的非线性、时变性、随机性等特征融为一体的工业过程，它的能量输入主要是通过控制电极升降的调节系统来完成的；在电弧炉炼钢的整个过程中，电极调节系统是整个系统高效运转的核心环节之一，其调节的效果对炼钢过程降低能耗、缩短冶炼时间、提高效率具有重要意义。

因此电极调节系统的控制方法成为电弧炉控制研究的主要对象，控制电极的升降，就控制了电极与炉料间的电弧长度，进而就控制了电弧产生电流的大小，达到控制冶炼功率的目的。

本文首先建立了电弧和电极系统的模型，然后讨探讨了电弧炉电极调节系统的控制问题。

针对电弧炉冶炼的工艺特点，根据能量守恒定律和相关的电弧物理知识，以电弧电导作为状态变量，电弧瞬时电流和弧长作为输入量，建立一个用非线性微分方程描述的交流电弧炉电弧时域模型，并做了相应的仿真分析；将供电系统与电弧模型相结合，建立了电弧炉电气系统模型；然后建立了液压系统模型，通过液压缸活塞位移与电弧长度之间的关系，将液压系统模型与电气系统模型相连接，构建了电极系统模型，并通过计算机仿真说明了其工作原理及特性。

结合电弧炉炼钢工艺对控制系统的要求，并确定了电极调节系统的恒阻抗控制策略之后，将建立好的电极系统模型作为被控对象进行传统的PID控制。

针对PID控制器控制电极系统的不足，设计了模型参考自适应控制器，并通过仿真验证了这种控制方法的正确性和有效性。

关键词：电弧炉；电极调节系统；PID控制；模型参考自适应；仿真第一章绪论1.1问题叙述近现代炼钢方法主要有转炉炼钢法、平炉炼钢法和电炉炼钢法等。

电弧炉炼钢越来越被广泛应用的同时，也逐渐成为最普遍的炼钢方法。

工业上通常所说的电炉炼钢，主要是指电弧炉(Electric Arc Furnace，简称EAF)炼钢，其他类型的电炉如感应电炉、电渣炉等所炼的钢数量较少。

交流电弧炉炼钢是采用三相电极和待冶炼炉料(废钢铁)间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化废钢铁、金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法。

(10)申请公布号 (43)申请公布日 2010.07.21*CN101782321A*(21)申请号 201010101832.4(22)申请日 2010.01.27F27B 3/28(2006.01)F27D 11/10(2006.01)(71)申请人上海金自天正信息技术有限公司地址201203 上海市浦东新区张江高科技园区龙东大道2500号F 楼102室(72)发明人金樟贤 王磊 刘青松 秦晓平程长峰(74)专利代理机构上海精晟知识产权代理有限公司 31253代理人何新平(54)发明名称一种直流电弧炉电极自动调节装置及其控制方法(57)摘要本发明公开了一种直流电弧炉电极自动调节装置及其控制方法，包括电弧炉、升降缸、导电铜管、石墨电极、弧压和弧流调节控制系统和电源主回路，所述电弧炉外侧设有升降缸，所述升降缸顶部安装有导电铜管，导电铜管末端设有竖直的石墨电极至电弧炉内部，所述弧压和弧流调节控制系统连接至导电铜管、升降缸和电弧炉，同时还连接电源主回路。

本发明通过弧压和弧流调节控制系统控制液压比例阀控制石墨电极的上下运动来改变电极与钢液面之间的距离，来控制电弧长度，从而控制电弧电压的目的，通过整流器控制系统控制整流器晶闸管触发α角的大小，来达到控制电弧电流的目的，控制精度高，安全可靠，能够实现实时精确控制弧压与弧流的大小。

(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页CN 101782321 AC N 101782321 A1.一种直流电弧炉电极自动调节装置，包括电弧炉(1)、升降缸(3)、导电铜管(4)、石墨电极(2)，所述电弧炉(1)外侧设有升降缸(3)，所述升降缸(3)顶部安装有导电铜管(4)，导电铜管(4)末端设有竖直的石墨电极(2)至电弧炉(1)内部，其特征在于，还包括弧压和弧流调节控制系统(20)和电源主回路(10)，所述弧压和弧流调节控制系统(20)连接至导电铜管(4)、升降缸(3)和电弧炉(1)通过控制升降缸(3)来达到石墨电极(2)的上升下降，从而产生弧压，同时所述弧压和弧流调节控制系统(20)还连接控制电源通电和断电的电源主回路(10)。

浅析电弧炉电极调节器原理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。

标签：电弧炉;电极;PLC;比例阀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SA V-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SA V-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。

1概述直流炼钢电弧炉在冶炼过程中，其初始熔化、熔化、氧化和还原各个阶段对供电制度（即电压、电流的大小）有着不同的要求，以求节能降耗、提高工效、达到最佳技术经济指标。

与交流炼钢电弧炉的控制方式不一样，直流电弧炉的弧压（即电弧电压）和弧流（即电弧电流）的大小是由两套完全独立的调节系统分别控制的，弧压和弧流可以线性地分别独立地进行自动调节，以满足冶炼工艺对供电的要求。

弧流调节系统以晶闸管整流器作为调节对象，电弧电流自动闭环稳流调节器控制晶闸管整流器直流输出电流，有静态情况下，自动稳流系统可以保持弧流恒定不变。

在有效控制范围内，弧压的变化不会引起弧流随之而变，这样就为独立调节弧长和弧压创造了条件。

直流电弧炉在冶炼过程中，电极升降控制系统以电极定位机构为控制对象，其主要作用是调节电弧弧柱的长度（即弧长）。

根据有关文献资料分析，电弧电压Va和电弧长度la之间近似地存在着以下关系：Va=kala式中ka=0.6～1.1V/mm称之为电弧电压梯度，弧压梯度大小的变化取决于炉内的气氛。

相对于弧流和弧压的变化速度而言，认为ka值的变化十分缓慢，可近似地看作常数。

由此可见，弧压与弧长成近似的线性关系。

调节弧长的长短相当于调节弧压的高低。

当弧流恒定不变时，调节弧长也相当于调节电弧功率的大小。

因电弧功率Pa=IaVa。

所以，电极升降控制系统性能的好坏直接影响电功率的输入和电炉的运行状态。

2存在的主要问题和原因分析甘肃华藏冶金集团特殊钢厂两台标称容量为5吨的直流炼钢电弧炉于1997年开始投入试运行，投运后发现电极升降控制系统工作不正常，存在的问题主要表现为：（1）运行不稳定，电极窜动频繁、持续时间长，电炉不能连续稳定地获得有效的电弧功率输入；（2）弧压低，在交流电压最高的第五档，弧压（直流）值也只能达到250V左右，严重地限制了电弧功率的提高，变压器网侧功率因数也相对较低；（3）弧压调节范围小，实际弧压值不是跟随给定弧压值线性地变化。