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东北大学硕士学位论文摘要 电弧炉电弧电流估计与电极控制 摘要 电弧炉炼钢已有近1 0 0 年的历史，最近3 0 余年发展尤为迅速。尽管全球粗钢年 总产量的增长速度很缓慢，但以废钢为主要原料的电炉钢产量所占的比重却在逐年 上升。1 9 9 8 年，电炉钢占世界钢产量的3 3 9 ，成为最重要的炼钢方法之一。本文 以江苏天工3 0 盹电弧炉炼钢控制系统为研究对象，在查阅了大量国内外相关文献的 基础上，综述了电弧炉控制技术的发展历程，对电弧炉电弧电流估计与电极控制进 行了深入的研究，主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 首先介绍了电弧炉炼钢的工艺和设备。综述了电弧电流检测及电极控制方 法的研究现状。 ( 2 ) 分析了变压器向量图。针对电炉变压器，推导出电弧电流瞬时值和有效值 的计算公式，给出了变压器一次侧相电流有效值和三相总有功功率与电弧电流之间 的非线性映射关系。 ( 3 ) 针对电弧炉变压器的特性，建立了基于b p 神经网络的电弧电流软测量模 型。仿真结果表明该模型拟合度较好，符合工程应用的标准。 ( 4 ) 讨论了电弧炉电极控制策略。根据电弧炉熔炼过程对电极调节器的要求， 设计了一种仿人智能控制器。针对电弧炉冶炼不同时期电弧放大系数时变的特点，提 出了仿人智能在线自适应控制器，并通过仿真验证了控制器的有效性。 关键词：电弧炉；变压器；电弧电流软测量；b p 神经网络：仿人智能控制 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a r cc u r r e n te s t i m a t i o na n de i e c t r o d ec o n t r o l o f e a f a b s t r a c t e a fs t e e l s m e l t i n gh a sn e a r l y1 0 0y e a r s h i s t o r y , a n dd e v e l o p sw i t hah i g hs p e e di n r e c e n t3 0y e a r s t h o u g ha n n u a lg r o s sp r o d u c t i o no fg l o b a lr a ws t e e li n c r e a s e ss l o w l y , y e t s p e c i f i cw e i g h tt h a te a fs t e e l - s m e l t i n g sp r o d u c t i o nw i t hm a i nm a t e r i a lo fw a s t es t e e l m a k e su pi n c r e a s e sa n n u a l l y i n1 9 9 8 ，e a fs t e e l - s m e l t i n g sp r o d u c t i o no c c u p i e s3 3 9 p e r c e n to fg l o b a ls t e e lp r o d u c t i o n ，a n db e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts t e e l m e l t i n g m e t h o d s t h eb a c k g r o u n do ft h ep a p e ri sb a s e do nj i a n g s h ut i a n g o n gl t dc o 3 0 te l e c t r i c a r cf u r n a c ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nc o n s u l t i n gag r e a td e a lo fd o c u m e n t a t i o na th o m ea n d a b r o a d t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mo fe a fs t e e l s m e l t i n gi ss u m m a r i z e da n d e s t i m a t i o no fa r ec u r r e n ta n dc o n t r o lo fp o l eo fe a fa r es t u d i e d s e v e r a la s p e c t so ft h e w o r kh a v eb e e nd o n ei nt h i st h e s i s ( 1 ) f i r s t ，t h et e c h n i q u ea n dm e c h a n i c a le q u i p m e n to fe a fi si n t r o d u c e d r e s e a r c h p r e s e n ts t a t u so ft h ee s t i m a t i o no fa r cc u r r e n ta n dt h em e t h o do ft h ec o n t r o lo fp o l ei s s u m m a r i z e d ( 2 ) v e c t o rf i g u r eo ft r a n s f o r m e ri sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h et r a n s f o r m e ro fe l e c t r i c a r ef u m a c e ，c a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ei n s t a n t a n e o u sa n de f f e c t i v ev a l u eo fa r cc u r r e n ti s d e r i v e da n dn o n l i n e a rm a p p i n gr e l a t i o n s h i pw h i c he x i s t sa m o n gt h ee f f e c t i v ev a l u eo f p r i m a r ys i d ec u r r e n ta n dt h et o t a lp o w e ro f t h r e ep h r a s ea n da r cc u r r e n ti sp r e s e n t e d ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et r a n s f o r m e ro fe a f , s o f ts e n s o rm o d e lo f a r c c u r r e n tb a s e do nb pn e u r a ln e ti se s t a b l i s h e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e g o o d n e s s o f - f i to ft h i sm o d e li sg o o d ，a n dm e e t st h es t a n d a r do ft h ea p p l i c a t i o no f e n g i n e e r i n g ( 4 ) c o n t r o ls t r a t e g yo ft h ep o l eo fe a fi sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f p o l er e g u l a t o rd u r i n gt h em e l t i n gp r o c e s so fe a f , a 1 【i n do fh u m a ns i m u l a t i o ni n t e l l i g e n t c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ct h a ta r c a m p l i f i c a t i o nr a t i o i s t i m e v a r i a t i o ni nd i f f e r e n tp e r i o do fm e l t i n g ，a no n - l i n es e l f - a d j u s t i n gh u m a ns i m u l a t i o n i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d ，a n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o np r o v e st h ev a l i d i t yo ft h e c o n t r o l l e r k e yw o r d s ： e l e c t r i ca r cf u r n a c e ；t r a n s f o r m e r ；s o f ts e n s o ro f a r cc u r r e n t ； b pn e u r a ln e t ；h u m a ns i m u l a t i o ni n t e l l i g e n tc o n t r o l i i i 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 电炉炼钢法是以电能作为热源，而电弧炉炼钢是应用得最为普遍的电炉炼钢方 法。我们通常所说的电炉炼钢，主要指电弧炉炼钢，因为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。控制电极升降实现控制电极与 炉料的电弧距离，就控制了电弧产生电流的大小，达到控制冶炼功率的目的。 1 1 电弧炉炼钢的发展 电弧炉炼钢技术发展至今已有近1 0 0 年的历史，虽然始终面临着其他炼钢方法的 挑战和竞争，特别是高效率的氧气转炉炼钢的冲击，但是电弧炉钢产量在世界钢总产 量的比例仍逐年上升。而经过电弧炉炼钢本体技术的不断完善，相关技术的不断涌现 并不断充实到电弧炉炼钢工艺流程中，以及吸取其他炼钢方法的重要功能使电弧炉的 原料适应性不断增强，电弧炉炼钢将成为2 1 世纪钢的生产技术的主流。 1 8 0 0 年，英格兰人h u m p h r e yd a v y 发现了碳电极。1 8 4 9 年，法国人d e p r e z 研究 用电极来熔化金属。1 8 6 6 年，w e m e ry o ns i e m e n s 发明电能发生器。1 8 7 9 年c w i l l i a m s s i e m e n s 获得了几个不同类型实用电弧炉的专利。虽然采用两水冷金属电极练出了钢， 但耗电高，因电费昂贵而无法推广。之后还先后出现了6 种不同形式的电弧炉，其容 量均很小且多为直流供电，也因同样原因而无法推广。1 8 8 5 年，瑞典a s e a 公司设 计了一台直流电弧炉。1 8 8 8 年，法国人p a u lh e r o u l t 用间接电阻加热炉进行熔炼金属 试验。1 8 8 9 1 8 9 1 年，同步发电机和变压器推广应用。1 8 9 9 年，p a u l h e r o u l t 接受了一 系列直接加热电弧炉的专利，研制成功炼钢用三相交流电弧炉。用三根碳电极将三相 交流电输入炉内，利用碳电极和金属炉料间产生的电弧将金属炉料熔化并进行熔炼。 在1 9 0 0 1 9 0 3 年，p a u lh e r o u l t 在l ap a zs a u o v 用该炉熔炼铁合金，该炉成为现代炼钢 电弧炉的雏形。 2 0 世纪初，发电成本下降，高压输电线路技术推广应用，为炼钢用三相交流电弧 炉的推广应用奠定了必要的基础。随着工业的发展，钢材需求的增加，国外已经出现 了高功率和超高功率的电弧炉。大功率炼钢由于能够有效地增加产量和降低能耗，从 而越来越得到人们的重视。大功率交直流电弧炉的大量选用，使钢铁生产工艺流程缩 短，投资相对减少而显效快，因而它们近十年来在国外得到迅猛的发展，同时近期在 国内许多钢铁企业也积极筹措资金拟建上百吨以上的交流或直流的电弧炉。随着电力 一1 一 东北走学硕士学位论文 第一章引言 电子技术的发展，大功率电力电子元器件的可靠性提高，使直流型电弧炉在各工业大 国钢铁业的迅速发展中尤为受到重视，它具有冶炼性能好，电耗低、电极消耗低，噪 音小，经济效益好等诸多优于交流电弧炉的特点。而目前在我国小功率电弧炉为数不 少，而达到规模型的大功率交直流电弧炉还为数不多。目前在我国交流电弧炉正在朝 着大容量发展。国外则正在逐步用直流电弧炉取代交流电弧炉。世界上第一台直流电 弧炉投入工业性生产是于1 9 8 2 年在德国，其容量较小仅为1 2 吨，而法国在1 9 8 5 年 投产了一台8 2 吨的直流电孤炉，而后在1 9 8 9 年日本东京建造一台1 3 0 吨的直流电弧 炉来取代两台6 5 吨的交流电弧炉。由于交流电弧炉在控制上较为简单，应用上在中 国也较为普遍，因而在国内，诸多生产厂还喜爱采用大功率的交流电弧炉。但随着直 流电弧炉技术的成熟发展，它的许多优越性是交流炉所不可比拟的 2 】。 1 2 电弧炉炼钢的设备 1 2 1 电弧炉炼钢的机械设备 电弧炉的主要机械设备由炉体、电极夹持器、电极升降装置、炉体倾动装置、炉 盖提升、旋转装置和炉顶装料系统等以及液压系统、水冷系统、气动系统等辅助系统 组成。 炉体：是电弧炉的主要装置，用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉的炉体 由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。 电极夹持器及电极升降装置：电极夹持器可以用来夹紧和放松电极，还可以把电 流传送到电极上。在熔炼过程中，电极自身的长度会存在自消耗。因此，需要随时调 整电极以利于起弧。电极升降装置由导电横臂、立柱和传动装置组成。导电横臂由铜 钢复合板制成，用来固定电极夹头。立柱和导电横臂连接成“r ”形支架，一起在固定 的框架内升降，框架内装有滚轮，立柱沿滚轮升降。电极夹头、导电横臂都是内部通 水冷却。 炉体倾动装置：为底倾机构，传动形式为液压传动。炉子装在专门的摇架上，摇 架两侧的扇形板支撑在底座上，倾动时摇架的扇形板沿底座摆动，出钢槽末端的运动 轨迹为摆线。为防止摇架和水平底座发生相对滑动，在它们的整个接触面上，分别加 工上导钉孔和导钉。倾炉机构包括倾动摇架、倾动轨道、倾动液压缸、水平支撑机构 与炉盖旋转轴承和旋转锁定等。倾动摇架下部为弧形结构，在轨道平面上进行滚动f ”。 炉盖提升及旋转装置：该机构包括炉盖旋转架、炉盖提升缸、提升连杆机构、炉 盖旋转机构及锁定机构等。旋转架通过旋转轴承连接在倾动摇架平台上。当固定在平 台上的液压缸活塞杆伸出时，可使炉盖旋开。液压缸活塞杆缩回时，炉盖即可复位。 液压系统：液压系统包括液压源、控制阀门、蓄液箱、蓄能器等。液压源有三台 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 恒压变量泵并配备一定数量的蕾能器。以保证事故状态的应急操作。电极升降采用比 例阀，以保证在穿井塌料时电极能快速提升，防止电极碰断和提高灵敏度。炉体倾动 采用比例阀，使倾动速度在0 3 m s 之间随意控制，以满足出钢和快速回倾的要求。 炉盖旋转采用比例阀控制，以保证在旋转过程平稳、快速1 3 】。 水冷系统：为了延长电弧炉的使用寿命以及改善炉前操作条件，电弧炉的许多部 位通水冷却，如前所述的炉盖、炉壳等。水冷系统主要包括三部分：水冷炉壁、水冷 炉盖和水冷导电横臂【4 j 。 气动系统：气动装置为电极夹头清灰，为加料斗气缸、炉门气缸等供气，系统由 主阀架气动三大件、气阀等组成，系统压力0 3 m p a “。 1 2 _ 2 电弧炉炼钢的电气设备 主电路的任务是将高压电转变为低压大电流输往电弧炉，并以电弧的形式将电能 转变为热能。电弧炉的主电路如图1 1 ，主要由高压断电器、电抗器、电炉变压器及 低压短网等组成。 电弧炉采用三相交流电供电，电气设备主要包括以下几个部分：高压供电系统、 二次回路、电炉变压器、电抗器、短网、低压供电系统和控制系统。 高压系统：一般由3 5 k v 电，经高压隔离开关、高压真空断路器、电抗器送至电 弧炉变压器，在高压供电系统中设有氧化锌避雷器、阻容吸收器，作为电压吸收装置， 吸收操作过电压和浪涌过电压，以保证变压器正常运行。高压测二次计量回路设有高 压侧电压、高压侧电流、功率因数、有功功率、有功电度及无功电度的计量，二次保 护回路设有过电流保护、欠压保护、缺相保护、变压器温度保护、变压器瓦斯保护及 冷却器保护等完善的保护回路。 电炉变压器：采用高阻抗电弧炉专用变压器，变压器采用有载电动调压，低压二 次侧采用铜管侧出线、内封口，采用强油循环水冷却器进行冷却。变压器配套强油循 环冷却器及其电气控制台。 电抗器：电抗器为外附电抗器，无载调节可连续过载2 0 ，配有隔离开关，接地 开关。 短网：也称大电流线路，是指从电弧炉变压器低压出线到电极( 包括电极) 之间 的各种形式导体的总和。电流经短网送入炉内，产生电流，将电能变成热能，把炉料 熔化。 低压动力及控制电源：由系统动力柜接收车间馈电，进线电压3 8 0 2 2 0 v ，三相四 线制。主要是给液压站、高压泵、加热器、闸整流电源、电炉变压器调压控制器、油 水冷却器、仪表电源、控制电源、稳压电源等供电f 6 ，7 1 。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 6 7 图1 1 电弧炉主电路简圈 f i g 1 1m a i nc i r c u i to f e l e c t r i ca r cf u r n a c e 1 一高压电缆：2 一隔离开关 3 一高压断路器：4 一电抗器； 5 一电抗器短炉开关；6 一电炉变压器；7 一电极；g 一电弧：9 一金属 1 3 电弧炉炼钢的工艺 1 3 - 1 电弧炉炼钢工艺简述 电弧炉炼钢的工艺方法归纳起来有三种，即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。氧 化法是电弧炉炼钢工艺的最基本的方法，不氧化法和返回吹氧法都是在氧化法的基础 上发展起来的。 传统的氧化法冶炼工艺由补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢六个阶段 组成。在炉内即要完成熔化、脱磷、脱碳、升温，又要进行脱氧、脱硫、去气、去除 夹杂物、合金化以及温度成分的调整，因而冶炼周期很长。这即难保证对钢材越来越 严格的质量要求，又限制了电弧炉生产率的提高。工艺上的改进大大提高了电弧炉设 备能力，使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温操作，而把那些只需要较低功率 的操作转移到钢包精炼炉内进行。并且越来越完善的电弧技术能进一步满足钢液纯度 和严格的成分、温度控制的要求。同时，在现代电弧炉炼钢工艺中，在熔化初期就对 4 - 东北大学硕士学位论文 第一章引言 圈1 1 电弧炉土电路筒目 f i g 1 1 m a i nc i r c u i to f e l e c t r i ca r c f l l l t l a c e 1 高压电缆；2 隔离开关；，高压断路器；4 电抗器； 5 一电抗器短炉开关；旺电炉变压器：7 _ 屯极：卜电弧；卜余属 1 3 电弧炉炼钢的工艺 1 3 1 电弧炉炼钢工艺简述 电弧炉炼钢的工艺方法归纳起来有= 种，即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。氧 化法是电弧炉炼钢1 艺的最基本的方法，不氧化法和返回吹氧法都是在氧化法的基础 上发展起来的。 传统的氧化法冶炼工艺由补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢六个阶段 组成。在炉内即要完成熔化、脱磷、脱碳、升温，又要进行脱氧、脱硫、去气、去除 夹杂物、合金化以及温度成分的调整，因而冶炼周期很长。这即难保证对钢材越来越 严格的质量要求，又限制了电弧炉生产率的提高。工艺上的改进大大提高了电弧炉设 各能力，使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温操作，而把那些只需要较低功率 的操作转移到铜包精炼炉内进行。并且越来越完善的电弧技术能进一步满足钢液纯度 和严格的成分、温度控制的要求。同时，在现代电弧炉炼钢t 艺中，在熔化初期就对 和严格的成分、温度控制的要求。同时，在现代电弧炉炼钢工艺中，在熔化初期就对 一d 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 6 7 图1 1 电弧炉主电路简圈 f i g 1 1m a i nc i r c u i to f e l e c t r i ca r cf u r n a c e 1 一高压电缆：2 一隔离开关 3 一高压断路器：4 一电抗器； 5 一电抗器短炉开关；6 一电炉变压器；7 一电极；g 一电弧：9 一金属 1 3 电弧炉炼钢的工艺 1 3 - 1 电弧炉炼钢工艺简述 电弧炉炼钢的工艺方法归纳起来有三种，即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。氧 化法是电弧炉炼钢工艺的最基本的方法，不氧化法和返回吹氧法都是在氧化法的基础 上发展起来的。 传统的氧化法冶炼工艺由补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢六个阶段 组成。在炉内即要完成熔化、脱磷、脱碳、升温，又要进行脱氧、脱硫、去气、去除 夹杂物、合金化以及温度成分的调整，因而冶炼周期很长。这即难保证对钢材越来越 严格的质量要求，又限制了电弧炉生产率的提高。工艺上的改进大大提高了电弧炉设 备能力，使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温操作，而把那些只需要较低功率 的操作转移到钢包精炼炉内进行。并且越来越完善的电弧技术能进一步满足钢液纯度 和严格的成分、温度控制的要求。同时，在现代电弧炉炼钢工艺中，在熔化初期就对 4 - 东北大学硕士学位论文第一章引言 炉内进行吹氧，因此熔化期和氧化期已无明显的区分，所以现代电弧炉炼钢工艺包括 补炉、装料、熔氧期和出钢四个阶段。 补炉：补炉是指当上炉出钢完后，需要迅速将炉体损坏的部位进行维修，以保证 下一炉钢的正常冶炼。 装料：装料是指将固体炉料装入炉膛内。目前多数电弧炉采用炉盖上升，炉体开 出，或者炉盖升起旋开，用吊车吊起炉料一次性加入炉膛内。 熔氧期：从通电开始到出钢阶段称为熔氧期。熔氧期的主要任务是迅速熔化全部 炉料，去除钢液中的磷、气体和夹杂物，将钢液温度加热到高于出钢温度1 0 2 0 。c 。 为了加速熔化和节约电能，在熔氧期一般采用吹氧助熔，有条件的也可以采用煤氧助 熔。 出钢：钢液脱碳、脱磷良好，化学成分符合要求，温度达到出钢要求，炉渣合乎 出钢要求，即可出钢 8 】a 1 3 2 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求 电极调节器的调节条件和调节任务颇为复杂。在起弧熔化冷料时，长度为数毫米 的电弧在不甚大的范围内，就能产生数千千瓦的功率，此时电弧温度高达数千度，被 熔料在电极下面迅速而激烈的熔化、飞溅，时有短路和断弧现象发生，因此弧长、输 入功率不断变化。当电弧电流小于额定值时，输入到炉内的电能减少，熔化时间拖长， 电能及电极消耗均有增加；而当电流非常大时，虽仅数秒钟，就能使线路损耗大大增 加，导致输入电弧炉内的电能减少，降低设备的各项指标，此时电弧长度非常短，特 别是当电极同炽热或液态熔液接触时，会使熔液遭受增碳的危险，严重时可折断电极。 可见，电弧炉电极调节器的调节任务非常关键，即在保证稳定调节的条件下，要求电 极调节器灵敏度高，快速性好，超调小。 具体的说，电弧炉对自动调节器的要求如下： ( 1 ) 高灵敏度。对电弧电流变化的反应要灵敏，可以用非灵敏区来衡量。非灵 敏区指当电极调节被控量偏差发生变化时，电极仍保持静止的整个区间。通常用不感 系数来代表调节器非灵敏区的大小。执行机构在开始向两个方向动作时的被调量之差 与其算术平均指之比的百分数称为不感系数。 ( 2 ) 电极调节快速性好。电极提升速度要快，否则容易造成短路而使高压断路 器自动跳闸；下降要慢，以免电极碰撞炉料而折断或插入熔液中。电极速度由零升至 最大速度的9 0 所需时间不得大于o 3 s ，电极速度由最大速度降到1 0 所需的时间 不得大于0 ，1 5 s 。 ( 3 ) 保证电弧电流能在额定值的3 0 一1 2 5 的范围内平滑的整定。 5 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 ( 4 ) 电极同炉料短路时，在保证电弧稳定的情况下，应使电极以最大速度上升。 ( 5 ) 保证电极升降控制能迅速的从自动切换为手动，或由手动切换为自动。 ( 6 ) 电弧炉通电时，电极调节器应能保证自动燃弧。 ( 7 ) 调节器应能保证调节工作高度可靠，操作简单。 上面的各项要求，最重要的是快速性、灵敏度和系统的超调量小。调节器的快速 作用能够提高电弧功率平均值、功率因数c o s ( 口和电效率玎，改善电气设备的工作条件， 同时有利于减少电极对熔液增碳。足够高的灵敏度不但能以高准确度来维持每相电弧 功率相等，而且能改善各项性能指标。如电弧功率平均值、功率因数c o s b 和电效率叩。 除此以外，还能消除每个电弧周围的耐火砖受热不均匀的可能性。高灵敏度、快速性 和整个系统的超调量控制之间的正确配合是设计性能优越调节器的决定性条件 9 】。 1 4 电弧电流检测及电极控制方法的研究现状 1 4 1 电弧电流的检测 在电弧炉冶炼过程中，电弧电流的检测环节负责为电极调节器提供电流值，电极 调节器根据电弧电流和电弧电压值来计算输出的控制量。电极调节器性能的好坏部分 取决于检测环节的精度和灵敏度，很难想象一个检测环节非常不准确的调节器会做出 正确的判断。由于在冶炼过程中，电弧电流通常为上万安培，不宜直接测量，因此目 前通常采用以下两种方法来测量电弧电流。 第一种方法是当变压器是串联变压器或自耦调压变压器时，利用串联变压器或自 耦调压变压器的三次电压和低压变化呈线性的特点，在串联变压器或自耦调压变压器 的三次侧加装电流互感器，再利用此互感器的电流值，乘以一个常数，即可反映出电 弧电流值，达到测量电弧电流值的目的。此种方法测量出的电弧电流值误差小，但变 压器制造成本较高，因串联变压器或自耦调压变压器的成本一般较直调变压器成本高 出近2 0 。如果单纯为解决电弧电流的测量问题，而将变压器的结构做成串联型变压 器或自耦调压变压器将是得不偿失的【7 】。 第二种方法是利用电炉变压器与电炉间的短网电流和电弧电流相等，在短网的多 路并联导体上选择一根导体，根据并联导体电流相等，在此导电体上加装电流互感器， 测量此导体上的电流值，再通过互感器电流值折算出电弧电流值。此种方法测量的误 差较大，因为当电弧电流达到2 5 x 1 0 4 a 以上时，短网一般由3 根或2 根并联，每一 根导线至少应有8 x 1 0 3 a 的电流，则互感器至少应为8 0 0 0 5 a ，而短网上每根导线的 电流理论上为均等，实际中却有较大偏差，势必造成电弧电流测量的误差较大，而大 于8 0 0 0 5 a 的电流互感器造价较高，准确性差。此种测量方法应用有较强局限性，一 6 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 般应用较少。 为了解决测量环节不能准确反映实际电弧电流值的现状，很多研究人员进行了相 关的研究工作。2 0 0 3 年，肖利忠，张茂鲁等人提出了一种测量电炉变压器二次侧电流 的方法，该方法利用电流互感器和连续式触点盘从一次侧直接测量电炉变压器二次侧 电流 1 0 1 。该方法从硬件上解决了电弧电流的测量问题。由于该方法过多依靠硬件来实 现，增加了系统的设各投入，因此本文从软件方面进行考虑，利用已有的测量数据， 用软测量的方法估计出电弧电流值。 1 4 2 电弧炉控制方法和技术的发展 随着电弧炉熔炼工艺不断发展，电弧炉过程自动化技术也随着整个工业自动化技 术的不断进步而发展。电弧炉过程自动化技术的发展始终和计算机技术和控制理论的 发展密不可分，大致经历了基础自动化、两级计算机控制系统、分布式计算机控制系 统( d c s ) 等几个阶段，目前正朝计算机集成自动化c i m s 方向发展【l ”。 6 0 、7 0 年代国外一些学者在电弧炉过程控制理论研究方面作了大量而集中的研 究，提出了一些控制算法，从不同的角度对电弧炉控制难点作了深入的分析。1 9 7 2 年b i l l i n g s 和n i c h o l s o n 提出了电弧炉电极调节温度加权自适应控制算法1 8 1 ，该算法以 电弧炉中熔池温度能连续检测为前提，以炉温为时变参数的可测辅助变量，其基本思 想是认为电弧特性参数的时变性主要是由冶炼过程中炉温变化造成的，其结果导致电 极调节系统的开环增益在冶炼过程中的不同时刻有一定的差异1 1 2 1 。如果对此问题加以 考虑，则必然使电极调节系统的调节特性不断地在过阻尼和不稳定状态两个极端之间 变化，为了消除这种现象，b i l l i n g s 等人在文中假设炉温可测的条件下，事先确定了 一个以炉温为自变量的权函数，在系统实际运行时用此权函数与取得的控制作用相 乘，再作用于被控对象。这样由于炉温不同，相应求得的权函数值也不同，从而使系 统的调节特性在整个冶炼过程中保持不变。这种方法的问题所在是要决定加权函数， 由于不能连续直接测试炉温，就需要有可靠性高的状态观测器，目前还无法满足这一 要求。1 9 7 9 年，b i l l i n g s 提出了采用弧流阻抗控制的双模型控制方案，即通过检测电 流，当电流值达到短路电流值时采用电流控制策略，否则就采用阻抗控制策略。这两 种控制方法相结合的优点在于：电流控制策略能够保证短路时对电极进行快速调节， 阻抗控制策略则能保持三相互不干扰，自动调节的特点。h n i c h o l s o n 等人提出了电 弧炉阻抗在线最优控制方案，该控制方案通过对液压式电极调节器进行分析研究后， 首先给出了系统1 l 阶非线性模型，经过线性化及降阶处理后得到了6 阶的线性模型， 并用通常的向量微分方程表示为：x ( t ) t a x ( t ) + b u ( t ) ，然后利用基于二次型的性能指标， 求出其最优控制u ( o 。实施在线控制的结果表明，在瞬态特性方面在线最优控制方案 7 一 东北大学硕士学位论文第一章引言 要优于模拟控制方案，也优于p i d 控制，只是在求解r i c c a t i 方程时，加权阵q 、r 初值的选择尤为重要。8 0 年代术，国外一些学者借助于智能控制原理对电弧炉过程控 制方法和技术进行了系统的研究 1 ”。这方面工作具有代表性的应首推美国s t a n d f o r d 大学的we s t a i b 等人，他们于1 9 9 0 年，成功地将人工神经网络学习技术应用到电 弧炉炼钢过程控制中，开发出了“智能电弧炉一i a f ”。这是一项创造性的工作，该项 专利产品已经在世界上几十座不同吨位的交流电弧炉上得到了实际应用【1 ”。 国内对电弧炉炼钢过程控制理论方面的研究虽然起步较晚，但发展很快。在8 0 年代初，顾兴源、毛志忠等人提出了电弧炉电极调节自校正控制方案与辨识方法，文 中从提高电极调节快速性这一观点出发，提出了在偏差信号和电压环之间加一个调节 器，调节算法采用自校正控制算法，来提高电极调节器的反应速度，达到节约电能的 目的。1 9 8 5 年张殿华等人提出具有可变遗传因子的电弧炉电极调节自校正控制方案， 该控制方案以获得一种控制算法简单、对时变系统具有补偿作用且全局收敛性比较好 的自校正控制器为目的，提出了一种具有可变遗传因子的自校正控制算法，并且证明 了，当被控系统满足确定性、时不变和最小相等条件时，该控制算法具有全局收敛性。 1 9 9 3 年王顺幌等人根据电弧炉炼钢过程特点，在分析其机理的基础上，针对电极升降 调节在不同冶炼过程中不同的控制性能要求，提出了电弧炉炼钢过程电极升降智能复 合控制方案：针对熔化期，扰动大，弧长变化大和偏差大，希望电极升降控制系统能 无超调的快速调整，而对控制精度要求相对较低，所以拟采用快速最优( b a n b a n g ) 控制方案；氧化期扰动相对减小，弧长变化也较稳定，希望兼顾快速性和精度要求， 所以拟采用模糊控制方案；还原期炉况相对稳定，希望由较高控制精度，因此采用p i d 控制方案。这就是智能复合控制的基本出发点。在线仿真证实，该控制方案在相同条 件下，提高了系统的控制精度和跟踪能力，系统的响应速度比一般p i d 控制快5 倍， 静差也很小，为电弧炉冶炼过程节能提供了一个可行方案。1 9 9 6 年毛志忠、李健提出 一种具有前馈环节的电弧炉电极升降自适应控制方案，针对炼钢电弧炉电极调节系统 的参数时变及三相问相互影响等特点，设计出一种简单且有效的电极调节控制方案， 该控制方案通过引入前馈控制环节来减小三相电极间的相互影响，并在线通过累计实 际输入炉内的能量值来间接地估算电弧放大系数，从而校正控制器参数。该电弧炉电 极调节方案已在某厂3 0 t 电弧炉上投入运行，运行结果表明，这个方案合理可行，吨 钢电耗比原来降低8 f ”j 。 国外电弧炉过程自动化技术发展比较快，特别象美国、德国、日本等一些工业发 达的国家，这些国家不仅注重电弧炉设备的技术改造投资，而且不惜重金研究和开发 新的电弧炉过程控制设备及技术。在电弧炉过程控制技术研究及使用方面，美国一直 处于领先地位，从首先将计算机引入电弧炉过程控制中到现在开发的智能电弧炉 8 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 ( i a f ) ，均代表着每一历史时期的最高水平。德国不仅是最早使用电弧炉的国家之一， 而且在电弧炉过程控制方面也具有较高的水平。日本虽然在电弧炉过程控制技术研究 上是起步较晚的国家，但其发展速度是惊人的6 1 。 同时国内外电弧炉炼钢控制系统也日趋完善。 1 9 9 0 年1 2 月，日本川崎制铁的大和钢厂建成投产了一座1 0 0 吨超高功率直流电 弧炉( u h p - d c e a f ) ，并开发了1 0 0 吨超高功率直流电弧炉( u h p d c e a f ) 炼钢 过程三级集散控制系统。该电弧炉采用较先进的自动化控制系统，整个电弧炉炼钢过 程完全实现自动化，操作工人只需监视和检查炼钢过程及设备状态。北京科技大学王 顺晃等人开发的“电弧炉炼钢过程电极升降智能升降复合控制系统”是一种基于快速 性和灵活性相结合的智能复合控制系统。在熔化期扰动大、弧长变化大和偏差大，希 望电极升降控制系统能够无超调地快速调整，而对控制精度要求较低，所以采用快速 ( b a n g b a n g ) 最优控制策略：而氧化期扰动相对减小、弧长变化也较稳定，偏差不 大，希望兼顾系统的快速性和精度，故采用模糊控制策略。到了还原期( 精炼) 炉况 相对平稳，希望系统有较高的控制精度，因此采用p i d 控制策略，这就是复合控制的 基本出发点。由东北大学自动化研究中心邹笃镭、毛志忠与冶金部自动化院合作为无 锡锡兴钢厂开发的3 0 吨电弧炉计算机集散控制系统是国家“八五”攻关项目。该系统 除了完成炼钢过程的基本控制之外，又增加了电弧炉冶炼计算机专家系统。专家系统 主要完成需求能量的计算、累计实际投入能量、炉况判断及参数优化等功能。 综上所述，电弧炉过程控制技术由常规基础自动化和一般监控功能向计算机人工 智能、专家系统操作指导及管理优化方向发展。尽管我国在控制技术方面取得很大的 发展，但同国外先迸国家相比，差距还很大，要使我国的电弧炉熔炼产品在世界市场 具有竞争力，就必须尽最大可能提高产品质量、降低能量消耗。而这一性能指标的取 得，必须通过采取先进的过程控制技术来实现，仅靠人工手动操作或一般常规控制策 略是无法实现的i 1 ”。 1 4 3 电弧炉电极的控制方法 按电极升降机构驱动方式的不同，电极升降调节系统可以分为机电式调节器和液 压式调节两种；通常前者用于容量2 0 t 以下的电弧炉，后者用于大型电弧炉。机电式 电极升降调节器的发展经历了：( 1 ) 电机放大机一直流电动机式；( 2 ) 晶闸管一直流 电动机式；( 3 ) 晶闸管一转差离合器式；( 4 ) 晶闸管一交流力矩电机式：( 5 ) 交流变 频调速式等。液压式调节器按控制部分的不同有：( 1 ) 模拟调节器；( 2 ) 微机调节器： ( 3 ) p l c 调节器。前三种机电式调节器已很少使用，目前应用的主要是后两种型式 及其微机控制的产品。液压式调节器三种型式并存，但模拟式调节器将逐步被后两种 9 一 东北大学硕士学位论文第一章引言 计算机控制的调节器取代。 近l o 多年来晶闸管交流力矩电机式电极调节器得到了普遍应用，成为电极调节 器的主流产品。该系统中每相电极采用了一套微机实现数字调节和数字触发，整个调 节器控制部分由三套微机系统构成，实现了电极调节器的直接数字控制，为采用先进 控制算法提供了软件平台，使电极调节器的技术水平提高了一大步。 随着交流变频调速技术的实用化和进口交流变频器价格的降低，人们将变频调速 技术引入电极调节器。采用可靠性较高的1 6 位s t d 总线工业控制机或i p c 和高性能 变频器研制成功了微机控制变频调速电极调节器。在该调节器中驱动电机仍为交流力 矩电机，将以前的交流调压调速方式改为变频调速方式。 对于大中型电弧炉采用的液压式电极调节器，过去是采用模拟电子线路进行控制 运算，并驱动液压伺服阀来进行电极升降调节的。但是该种方式存在控制模型过于简 单、超调大、调节时间长、电极上下窜动严重，具有系统本身无法克服的系统死区等 问题。采用微机控制技术实现液压电极调节系统，是解决上述问题的有效手段。另外 有很多大型电弧炉，采用p l c 实现液压站控制、炉盖旋转及炉体倾动以及电极升降自 动调节【”】。 控制策略通常是恒功率、恒电流、恒阻抗。目前恒阻抗策略实际中应用的效果比 较好。 1 5 本文的主要工作 本文以电弧炉控制系统为研究对象，主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 首先介绍了电弧炉炼钢的工艺和设备。综述了电弧电流检测及电极控制方 法的研究现状。 ( 2 ) 分析了变压器向量图。针对电炉变压器，推导出电弧电流瞬时值和有效值 的计算公式，给出了变压器一次侧相电流有效值和三相总有功功率与电弧电流之间的 非线性映射关系。 ( 3 ) 介绍了软测量技术及人工神经网络。针对电弧炉特性建立了基于b p 神经网 络的电弧电流软测量模型。仿真结果表明本文利用神经网络建立的模型符合工程应用 的标准。 ( 4 ) 讨论了电弧炉控制策略，并对电弧炉电气部分和液压传动部分进行建模。 根据电弧炉熔炼过程对电极调节器提出的控制要求，设计了一种仿人智能控制器；并 针对炼钢电弧炉电极调节系统参数时变的特点，通过累计实际输入炉内的能量间接地 估算电弧放大系数，从而校正控制器参数。 1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章电弧电流计算方法的研究 第二章电弧电流计算方法的研究 在电弧炉、钢包精炼炉等电炉冶炼过程中电弧电流可达数万安培。由于电弧电流 的大小决定了冶炼的特性，电炉在冶炼过程中需要控制电弧电流的大小，因此精确测 量电弧电流对于电极控制有重要的意义。在实际中，电炉变压器多采用y 接的形式， 电弧电流即为变压器二次侧线电流。由于电弧电流较大，直接测量造价较高，准确性 较差。目前通常采用以下几种方法来测量电弧电流。 第一种是利用变压器内部的三次侧的电流值来间接测量电弧电流值。此种方法测 量出的电弧电流值误差小，但变压器成本较高。 第二种是利用单根短网上的电流值来间接测量电弧电流值。此方法测量有较大偏 差，应用有一定的局限性。 第三种是利用电流变送器间接测量电弧电流值。此方法需要用六个电流互感器和 三个连续式触点盘，增加设备投资和设备维护。并且当一相断弧时，有较大测量误差。 出于变压器一次侧为高电压、低电流，各相额定电流一般在几百安左右，容易测 量。因此，本文在分析了以上几种方法的基础上，通过机理分析，提出了一种利用变 压器一次侧相电流计算二次侧线电流( 即电弧电流) 的方法，给出了电弧电流瞬时值 和有效值的计算公式。 2 1 变压器的基本工作原理 用到的部分符号及其含义： k 一次端电压 吒二次端电压 e 一次感应电势 e ，二次感应电势 ，1 r l 一次电阻压降 ，l 置一次电抗压降 ，l z l 一次阻抗压降 ，2 r 2 二次电阻压降 ，2 置二次电抗压降 厶z 2 二次阻抗压降 厶一次空载电流 l 一次铁损耗电流 l 一次励磁电流 厶二次负载电流 t 一次总电流的负载分量 厶一次总电流( 包括o 和，：) c o s 戎二次负载功率因数 c o s 珐一次总负载功率因数 e 所论绕组中感应电势的有效值 k - i 电势波的波形系数( 正弦波为1 1 1 ) 东北大学硕士学位论文第二章电弧电流计算方法的研究 j 2 只：总电阻压降 l z 总电抗压降 1 2 z ：总阻抗压降 ，“、，b 、i c 变压器一次侧相电流 l 。、屯、t 。变压器二次侧相电流 ，。、厶、l 变压器二次侧线电流 l 、， 、l c 变压器三相空载电流 2 1 1 变压器的空载运行 f 电源的频率 中。流过铁心的总磁通( 峰值) k 。电压比 所论绕组的匝数 l 变压器一次侧线圈匝数 n 2 变压器二次侧线圈匝数 当交流电势施加在变压器一次绕组的端子上，而二次绕组开路，那么仅有一个很 小的电流流过一次电路，它使铁心励磁并提供变压器的铁心损耗。在一次电路中流过 的电流即为空载电流l ；此时，二次线圈中的电流为零。空载o g i i c i o e 铁心中建立起 一个交流磁通，而该磁通则在一、二次绕组中感应出电势来。由于一、二次绕组是套 在同一铁心上的，又由于磁通是这二个绕组所共有的，显然每个绕组的一个线匝中所 感应的电压是相同的，所以在一、二次绕组中所感应的电压将正比于这二个绕组的匝 数。联系感应电压、磁通和匝数的公式如下【1 9 l ： e = 4 k i e l ) 。u f( 2 1 ) 上式无论对一次绕组还是对二次绕组都是完全成立的。代入一次线圈和二次线圈 的匝数l 和：，可得： 一次线圈中的自感电动势 e l = 4 4 4 ( i