（机械工程专业论文）基于plc的数字式智能稳流系统开发及应用.pdf

s0 gs 0 上 a t h e s i sf o rt h ed e 缈e o fm a s t e ri nm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n 一煳煳 d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o no fd i g i t a ls m a r t - c u r r e n t r e g u l a t i o ns y s t e m b a s e do np l c b yq i a oz o n g z h a n g s u p e r v i s o rp r o f e s s o rs o n gj i n g c u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y o c t o b e r2 0 0 7 1 j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：亩露以 日 期： 为产n 月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 导师签名： 答, a u - - , b 宰 i p 日期：r 1 ，- i、ill、厂 t 净7 ? i x 。 一t 。、 r f ， 甜 。i ￥ii 勰 j 址 二， ，-r】r-l 厂、p_l k 弗 ， 二 东北大学硕士学位论文摘要 基于p l c 的数字式智能稳流系统开发及应用 摘要 电解铝属于国家产业政策控制的高耗能行业，因此降低电耗成了关乎行业生死的 重要课题。随着技术的进步，降低电耗的方法也是多种多样，如采用先进的槽型、降 低槽温、提高直流电流的平稳度等等，其中采用先进的稳流技术来提高电流的平稳度 是投资少、见效快的措施之一，也是很多企业正在进行的工作。 本文以数字式自动稳流控制技术的开发为背景，针对电解铝企业的实际生产需要， 提出了基于p l c 的数字式自动稳流控制技术，阐明了p l c 数字式自动稳流控制系统 的控制原理和实现方法；分析了系统控制的难点、控制方法和控制算法的优化；建立 了基于p i d 调节的，构成系列总电流大闭环、单机组电流小闭环嵌套的双闭环控制系 统的总体技术方案。 随着计算机网络技术、电力电子技术、p l c 自动控制技术的快速发展，铝电解供 电整流系统的控制技术也得到了快速地发展，其控制技术向智能化、网络化和模块化 方向发展；稳流控制的关键在于对饱和电抗器控制电流的控制，在本系统中饱和电抗 器的电流控制采用p w m 直流斩波控制技术，调节功率器件i g b t 的占空比以改变电 抗器的控制电流。本控制系统为全数字智能稳流控制系统，即稳流系统的控制、调节、 触发、信号处理等各个控制环节全部采用p l c 或其他智能控制装置通过软件程序控制 实现，整个控制系统不需要硬件调整，稳流系统信息交换包括给定控制、稳流控制方 式改变、稳流系统状态监视等实现了网络智能化控制，本系统已在中国铝业贵州分公 司顺利投入运行，本技术在国内处于领先水平。 、 关键词：稳流；控制系统；集成电路；p w m ；p l c - i i 、 d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n r e g u l a t i o ns y s t e m o f d i g i t a ls m a r t - - c u r r e n t b a s e do np l c a bs t r a c t e l e c t r o l y t i ca l u m i n u ms m e l t e ri so n eo ft h eh i g he n e r g yc o n s u m i n gi n d u s t r i e su n d e rt h e c o n t r o lo fn a t i o n a li n d u s t r i a lp o l i c y t h u sh o wt or e d u c et h e p o w e rc o n s u m p t i o ni s a l l i m p o r t a n ts u b j e c tc o n c e r n i n gt h es u r v i v a lo ft h ei n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , t h e r ea r ev a r i o u sm e t h o d st or e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，s u c ha sa d o p t i n g a d v a n c e dt y p e so f p o t s ，r e d u c i n gt h ep o tt e m p e r a t u r ea n di n c r e a s i n gt h es t a b i l i t yo ft h e d i r e c tc u r r e n te t c a m o n gt h e m ，t oi n c r e a s et h es t a b i l i t yo ft h ec u r r e n tb yu s i n ga d v a n c e d c u r r e n tr e g u l a t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h em e a s u r e st h a tc o s tl e s sb u te f f e c tf a s t e r a n d m a n ye n t e r p r i s e sa r ew o r k i n go ni t w i t ht h eb a c k g r o u n do ft h e d e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a la u t o c u r r e n tr e g u l a t i o n t e c h n o l o g y , t h i sp a p e ra i m sa tt h ea c t u a lp r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t sf o rt h es m e l t e re n t e r p r i s e s ， p r e s e n t st h ed i g i t a la u t o c u r r e n tr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y , e l a b o r a t e st h ec o n t r o lp r i n c i p l ea n d w a y so fi m p l e m e n t a t i o nf o rt h ep l cd i g i t a la u t o c u r r e n tr e g u l a t i o ns y s t e m ；a n da n a l y z e s t h ed i f f i c u l t i e si n s y s t e m a t i cc o n t r o l ，c o n t r o lm e t h o d sa n do p t i m i z a t i o no ft h ec o n t r o l c a l c u l a t i o nm e t h o d ；e s t a b l i s h e sa g e n e r a lt e c h n i c a ls c h e m eb a s e do np i da d j u s t m e n tf o ra d o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fa b i gc l o s e d 1 0 0 po fs e r i e st o t a l c u r r e n ta n das m a l lc l o s e d - l o o po f s i n g l eu n i tc u r r e n t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ew e bt e c h n o l o g y , e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y 嬲w e l la st h ep l ca u t o - c o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yf o rt h er e c t i f i c a t i o n s y s t e mi nt h ep o w e rs u p p l ys t a t i o no ft h es m e l t e ri sa l s od e v e l o p i n gq u i c k l ya n di nt h e d i r e c t i o no fi n t e l l i g e n t ，w e bc o n t r o la n dm o d u l a r i z a t i o n t h e k e yp a r to ft h ec u r r e n t r e g u l a t i o nc o n t r o ll i e si nt h ec o n t r o lf o rt l l et r a n s d u c t o r p w md cc h o p p e rc o n t r o l t e c h n o l o g yi sa d o p t e dt oc o n t r o lt h et r a n s d u c t o rc u r r e n ti nt h i ss y s t e m ，a d j u s t i n gt h es p a c e 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o f t w a r ep r o g r a m m e t h e r ei sn on e e dt oa d ju s tt h e mt h r o u g hh a r d w a r ei nt h ec o n t r o l s y s t e m t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ei nt h ec u r r e n tr e g u l a t i o ns y s t e mi n c l u d e sp r e s e tc o n t r o l ， s h i f to ft h ec u r r e n tr e g u l a t i o nc o n t r o lm o d ea n ds t a t em o n i t o r i n go ft h ec u r r e n tr e g u l a t i o n s y s t e m i tr e a l i z e st h ei n t e l l i g e n tw e bc o n t r 0 1 t h i ss y s t e mh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o n s u c c e s s f u l l yi nc h a l c o ，g u i z h o ub r a n c h i ti sa l la d v a n c e dt e c h n o l o g yi nc h i n a k e yw o r d s ：c u r r e n tr e g u l a t i o n ；c o n t r o ls y s t e m ；i n t e g r a t e de i r e u i t ；p w m ；p l c i v ji_1l _ i ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论：1 1 1 选题背景与意义1 1 1 1 控制系统的知识背景：2 1 1 2 稳流控制系统国内外现状及存在的问题- 2 1 2 稳流控制系统的现状及发展3 1 2 1 可编程序控制器( p l c ) 的发展3 1 2 2 国外稳流技术的发展j ：。4 1 2 3 国内稳流技术的发展4 1 2 4 稳流技术今后的发展方向5 1 3 选题的意义。：5 第二章稳流控制系统原理7 2 1 稳流控制系统的概念：7 2 1 1 铝电解用直流电源的组成7 2 1 2 饱和电抗器的工作原理8 2 2 稳流控制系统原理。1 2 2 2 1p l c 稳流控制系统的组成j 。1 2 2 2 2p l c 稳流控制系统的工作原理1 2 2 3p l c 稳流控制系统的控制方法1 3 2 4 系统控制的难点1 3 第三章p l c 稳流控制系统的结构1 5 3 1 单机组稳流控制小1 5 3 2 系列电流稳流控制1 6 3 3 稳流超调控制原理1 8 3 4 稳流控制系统控制策略1 9 v -【a， 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 1p i d 控制基本公式1 9 3 4 2p i d 控制参数含义- 2 l 3 4 3p i d 控制参数整定2 2 3 4 4 系统优化控制方法2 2 第四章稳流控制系统的硬件设计2 4 4 1 稳流控制系统的硬件设计方案2 4 4 2 可编程序控制器的设计2 5 4 2 1s i e m e n s 公司的s 7 2 0 0 p l c 控制器。2 5 4 2 2s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 p l c 控制器2 6 4 3 通讯网络设计2 6 4 3 1 工业以太网( i n d u s t r i a le t h e m e t ) 总线设计。2 7 4 3 2 工业现场总线( p r o f i b u s d p ) 网络设计2 7 4 3 3 多点接口( m p i ) 通讯网络2 8 4 3 4m t 5 0 8 系列工业级人机界面触摸屏，2 8 4 4 输入通道设计2 9 4 4 1 电流变送器设计：。：2 9 4 4 2 数据采集卡的选型2 9 4 5 输出通道设计3 0 4 6 功率器件i g b t 简介31 4 7 饱和电抗器控制电路的设计3 2 第五章稳流控制系统的软件设计3 4 5 1 控制系统软件设计方案3 4 5 1 1 软件总体结构3 4 5 1 2 开发工具的选择。3 5 5 1 3 数据库的选择和配置3 6 5 2 系统软件的具体实现3 6 5 2 1 软件设计3 6 5 2 2 程序设计：3 7 5 2 3 系统实现方式4 1 5 3 生产管理系统设计一4 2 5 4 系统应用模块设计4 4 v i j， ij叫1 第六章系统调试和运行效果4 6 6 1 系统技术性能4 6 6 2 系统调试和运行效果4 7 6 3 系统运行规程4 7 6 3 1 稳流系统的运行方式4 7 6 3 2 单机组停电操作：4 8 6 3 3 单机组送电操作4 8 6 3 4 稳流系统的停送电操作4 8 6 3 5 恒安时的投入4 9 6 4 故障判断与处理4 9 6 4 1 控制电流恒为o 4 9 6 4 2 控制电流恒为最大4 9 6 4 3 控制电流与正常值明显偏小5 0 6 4 4 系统震荡j 5 0 6 5 注意事项5 0 6 6 特别提示5 1 6 7 本章总结5 1 第七章结束语5 2 参考文献5 4 致谢5 7 v 。 f _ _， _】jill叫 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着电气控制设备，尤其是电子计算机的迅猛发展，工业自动化控制技术也发生 了深刻的变化。无论是从国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统， 普遍把可编程序控制器( p l c ) 作为控制系统的核心器件。可编程序控制器( p l c ) 在取代传统电气控制方面有着不可比拟的优点，在自动化领域已形成了一种工业控制 趋势。 可编程序控制器( p l c ) 是一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统， 它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等 操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械和生产过程的控制。它 具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其软硬件可根据具体的控制 要求来进行选配和设计。 随着p l c 运算速度的提高及控制技术的发展，p l c 控制系统逐步渗透到包括有色 金属冶炼在内的国民经济的每一个领域，本文要论述的就是p l c 在有色金属冶炼领域 大电流稳流控制系统中的应用。 1 1 选题背景与意义 金属铝是现代工业最常用的金属之一，人们最早是采用化学置换的方法生产铝， 产量小、成本高，应用受到很大的限制，随着铝电解技术的发明，铝的生产逐步走上 工业化、规模化，产量越来越大，应用也越来越广，是国民经济发展的重要基础原材 料和战略物资，已广泛应用于机械、电子、化工、建筑、交通、通讯、航天、航空、 军工等各个领域，在国家建设和发展中具有十分重要的作用和地位。 我国的铝工业经历了从无到有，从d , n 大，从弱到强，从引进到自主研发的发展 历程，特别是近几年，随着我国经济的发展，铝工业也获得了较大的发展，技术和装 备水平得到了较大的提高，经济技术指标得到了较大的改善，从技术引进国发展为技 术输出国。 然而，由于铝工业生产的流程长、工艺复杂、环境恶劣、技术要求高，行业总体 水平与国外相比还存在着较大的差距，因此现阶段我国充其量只能称为铝工业的大国， 而不能称为铝工业的强国，主要表现在劳动生产率低、矿石利用率低、自动化( 信息 化) 水平低、生产成本和能耗高、作业强度大、环境污染严重、社会效益差等方面。 - 1 - m 嚏l - _ 他 r 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 这些差距对我国铝工业的发展产生了严重的制约作用，随着经济全球化的到来，将大 大削弱我国铝工业参与国际市场竞争的能力。造成这些差距的原因是多方面的，但生 产过程中控制技术落后、自动化、机械化、信息化水平低下是其主要原因之一。因此， 随着全球范围内的能源短缺时代的到来，在全球能源价格飞涨的今天，在电解铝这样 的高能耗企业中开发节能型的新型控制技术，成为我国铝工业发展的当务之急。 1 1 1 控制系统的知识背景 铝电解属于熔盐电解，通过大功率整流机组将2 2 0 k v 的工业交流电转换成电压为 1 2 0 0 v 左右、电流为1 6 0 3 2 0 k a 左右的直流电源源不断供给电解槽系列，每个电解系 列大约有2 0 0 多台电解槽，在9 0 0 1 0 0 0 左右将包括氧化铝在内的电解质进行加热熔 化，并电解生成液态铝沉于电解槽底部，只有连续不断的输入直流电流才能保证电解 槽正常生产所需的电能和热能。当电流过大时，将引起电解槽的温度升高，一方面造 成热能的浪费，增加吨铝电耗，另一方面也会对电解槽的保温材料造成损害，加剧电 解槽的破损，缩短电解槽的寿命；而电流降低时，将引起电解槽的温度下降，造成电 解质收缩，浮于电解槽上部的氧化铝将下沉至电解槽底部结壳，造成电阻增大，槽电 压升高，阳极效应增多，工艺条件被破坏，严重时电解生产不能正常进行。因此生产 工艺要求输入恒定的直流电流，直流电流的大幅度波动，不但将破坏电解槽的正常生 产，造成破损槽的增多，缩短电解槽的寿命，而且会降低电流效率，增加产品成本， 恶化电解槽的经济指标。 随着科技的进步，铝电解系列采用的电流越来越大，现在在产的电解系列最大电 流已达到3 5 0 k a ，还有向更大电流发展的趋势，并且铝电解生产连续性强，加上在生 产过程中不断会发生阳极效应，导致负荷波动，为保持电流平稳，对整流机组的稳流 系统提出了非常高的要求，要求在系列负载波动的时候能够输出恒定的电流，因此， 动态响应快、稳流精度高的稳流系统就成为电解铝行业的迫切要求，也是企业节能降 耗的需要。 1 1 2 稳流控制系统国内外现状及存在的问题 铝电解稳流控制系统是指能够按照用户设定的要求，输出稳定的直流电流，并且 在负载或电源电压发生变化时，能自动调整整流机组的输出确保系列直流电流保持不 变的自动电流调节控制系统 4 1 。 由于铝冶炼中的铝电解系列要求电流大，生产连续性强，并且在生产过程中要求 _ 2 _ _ 东北大学硕士学位论文第一章绪论 保证恒定的电流，因此目前在国外已广泛采用可控硅整流机组供电，可控硅整流尽管 有调节速度快、稳流精度高、操作简便等优点，但因其谐波治理困难，控制系统复杂、 对电源质量要求较高等原因，不适合我国国情，未能在国内铝电解行业广泛使用。 国内大多数整流系统还是采用二极管整流，因为二极管整流为不可控整流，为实 现对输出电流的恒定控制，一般采用有载开关调压来调整变压器的二次侧输出电压的 方法以达到控制输出电流的目的，但由于有载开关动作速度慢，且存在电压级差和动 作次数的限制，仅靠有载开关无法精确达到控制输出电流的目的。因此，在有载开关 调压的基础上又增加了饱和电抗器调压的方式，即以整流变压器的有载开关为粗调， 以饱和电抗器为细调的联合调压方式实现对系列电流的精确控制。饱和电抗器是一种 利用铁磁材料的饱和特性，以较小的直流功率来控制较大的交流负载的电器，它的运 行特性是在某一范围内输入直流控制电流，其输出电压呈线性变化，而在这个范围之 外，尽管输入直流电流有大的变化，但输出电压基本不变，利用它的这一特性，将其 串联于整流臂中，可以在小范围内平滑地调节直流输出电流 2 1 。因此，稳流控制系统 的任务就是对饱和电抗器控制绕组中的输入电流进行控制，达到间接调整整流机组直 流输出电流的目的。 由于现有的稳流控制系统采用的是模拟电路实现对饱和电抗器的电流控制，这种 电路分离元件多、调试复杂、控制精度较低、响应速度慢，稳流精度差，导致二极管 整流机组的各项经济指标都比可控硅整流机组要差得多，还存在很大的改进潜力。 1 2 稳流控制系统的现状及发展 国内外稳流控制系统的发展与各种控制元器件的发展是密不可分的，随着整流元 件和可编程序控制器( p l c ) 的发展，稳流控制系统也处在不断的改进中。 1 2 1 可编程序控制器( p l c ) 的发展 p l c 是在2 0 世纪6 0 年代后期和7 0 年代初期问世的，其发展过程大致分为以下四 个阶段【1 】： 第一阶段：功能简单，主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列； 第二阶段：增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制，开始具备自诊断功能， 存储器采用e p r o m ； 第三阶段：将微处理器用于p l c 中，而且向多微处理器发展，使p l c 的功能和处 理速度大大增强，具有通信功能和远程i o 能力； - 3 - 第一章绪论 第四阶段：能完成对整个车间的监控，可在显示屏上显示各种现场图像，灵活方 便地完成各种控制和管理操作，可将多台p l c 连接起来与大系统连成一体，实现网络 资源共享。编程语言除了传统的梯形图、流程图、语句表等以外，还有用于算术运算 的b a s i c 语言以及用于顺序控制的g r a p h 语言，用于机床控制的数控语言等。是当 前自动化控制的主流。 1 2 2 国外稳流技术的发展 稳流技术兴起于国外，最初是采用二极管整流，稳流系统是纯模拟电路的方法， 由于技术条件的限制，稳流效果不是太好，也有一些厂家进行了部分改进工作，但成 效不大；随着大电流可控硅整流技术的发展，加上可控硅整流与二极管整流相比具有 调节速度快、稳流精度高、整流效率高、操作简便等优点，因此在国外目前已广泛采 用可控硅整流机组供电，国外在二极管整流机组的稳流技术开发方面进展不大。但由 于可控硅整流机组的稳流控制技术比较复杂，谐波治理困难、对电源质量要求较高等 原因，不适合我国国情，在国内电解铝行业未能广泛使用。 1 2 3 国内稳流技术的发展 国内现有的稳流控制系统从时间上来划分大体上可分为三代【3 】： 第一代是采用纯模拟电路方法，饱和电抗器的控制回路采用晶闸管模块组成的三 相全( 半) 控桥式电路，其电流的控制和调节采用专用的控制板，电流调节器是无差 的p i 调节器，根据反馈电流与设定电流的误差，改变流过饱和电抗器控制绕组中的电 流，从而改变电抗器中的磁势( 电抗值) ，达到调整直流电流的目的，电流反馈通过直 流互感器检测，经变换后进入电流调节器；这是最早的控制方法，这种方法分离元件 多、调试复杂、控制精度较低、响应速度慢，稳流精度差； 第二代则是模拟与数字相结合的方法，在第一代的基础上有了较大的进步，引入 了大规模集成电路和高速p l c ，即在三相全( 半) 控桥式电路的控制上采用大规模集 成电路和p l c 相结合的方法，采用这种控制方式优点是脉冲对称度好，分辨率高，计 算速度快，调节精度高：缺点是需在控制电源输出端串接平波电抗器，因回路电感较 大，快速性受到限制，故需串联电阻来提高快速性； 第三代则是方兴未艾的全数字方法，这就是基于高速p l c 的全数字自动稳流控制 系统，这种方法具有可靠性高、接线简单、易于调试、稳流精度高、响应速度快、投 资省、收效高、可方便地与计算机通信等优点。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 4 稳流技术今后的发展方向 近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术、通信技术等的发展， p l c ( 可编程序控制器) 的功能得到了极大的提升，现代p l c 具备了很强的模拟量控 制功能，配备了各种智能模块，能适应生产现场的多种特殊要求具备了p i d 调节功能 和构成网络系统组成分级控制的功能，运算速度也得到了很大提高，如德国西门子的 s 7 3 0 0 ，其扫描速度为1 0 0 0 条o 3 m s ，这些都为p l c 在稳流控制系统中的应用奠定了 坚实的硬件和软件基础【1 1 。p l c 在取代传统电气控制方面有着不可比拟的优点，在自 动化领域已形成了一种工业控制趋势，由p l c 构成的稳流系统属于数字式稳流控制系 统，与传统的模拟式稳流控制系统相比具有非常明显的优势，数字式稳流系统具有调 节速度快、稳流精度高、抗干扰能力强、接线简单、易于调试、可靠性高、可方便地 与计算机通信等特点，加上稳流控制系统所处的工作现场环境条件非常恶劣，具体表 现为高电压、大电流、大磁场，多干扰源，因此基于p l c 的数字式稳流系统在这种场 合具有广泛的应用前景。 由于基于p l c 的数字式稳流控制系统属于离散型控制系统，因此在控制算法上与 传统的连续性控制系统有较大的差别，随着控制技术的不断发展，新的控制理论不断 成熟，如模糊控制理论、神经网络控制理论等，现在的稳流控制系统大都采用p i d 控 制算法，随着p l c 运算速度的不断加快，为引入新的控制技术创造了硬件条件，在今 后的稳流控制系统中引入模糊控制技术是一个不错的方向。 1 3 选题的意义 中铝贵州分公司是一家有近5 0 年历史的国有特大型联合企业，现有4 个电解系列， 总设计年产能为4 0 万吨，除三系列为可控硅整流外，其余三个系列均为二极管整流， 其中二系列1 9 8 1 年投产，系列电流1 6 0 k a ，采用的是第一代纯模拟电路稳流控制系统； 一系列在改造后1 9 9 7 年投产，系列电流1 8 0 k a ，采用的稳流系统比二系列有所改进； 四系列于2 0 0 5 年通电投产，系列电流2 3 0 k a ，采用的是基于p l c 的全数字自动稳流 控制系统。在建设电解四系列之前，原有的三个系列中二系列的吨铝电耗远远高于其 它两个系列，究其原因就是因为二系列整流机组输出的直流电流平稳度较差、波动大， 导致各项损耗增加，这与其稳流控制系统的落后有很大的关系。 因此，在四系列立项之初，中铝贵州分公司就将“基于p l c 的数字稳流控制技术” 作为一项重大技改项目来抓，四系列是一个设计年产能1 7 万吨，年用电量约2 5 亿千 - 5 _ 章绪论 - 6 - 目 东北大学硕士学位论文第二章稳流控制系统原理 第二章稳流控制系统原理 2 1 稳流控制系统的概念 在铝电解生产中，生产工艺要求输入恒定的直流电流，如果直流电流发生大幅度 的波动，将会破坏电解槽的正常生产，造成破损槽的增多，缩短电解槽的寿命，而且 会降低电流效率，增加产品成本，劣化电解槽的经济指标。 随着科技的进步，铝电解系列采用的电流越来越大，现在在产的电解系列最大电 流已达到3 5 0 k a ，还有向更大电流发展的趋势，并且铝电解生产连续性强，加上在生 产过程中会不断发生阳极效应，导致负荷波动，为保持电流平稳，对整流机组的稳流 系统提出了非常高的要求，要求在系列负载或电源电压波动的时候能够输出恒定的电 流，因此，动态响应快、稳流精度高的稳流系统就成为电解铝行业的迫切要求。 在二极管整流机组中采用有载调压开关粗调配自饱和电抗器自动调压稳流细调是 目前电解铝行业应用最普遍，也是最成熟的方案，其优点是运行可靠、便于维护；当 因电解过程产生电流波动时，采用自动控制自饱和电抗器的阻抗，改变输出电流，若 超出其调节范围时就调节变压器有载调压开关来自动稳流。此方案中调压变压器，整 流变压器和自饱和电抗器三部分构成了整流器的电源， 综上所述，铝电解稳流控制系统是指能够按照用户设定的要求，输出稳定的直流 电流，并且在负载或电源电压发生变化时，能自动调整整流机组的输出确保系列直流 电流保持不变的自动电流调节控制系统。整流机组的稳流控制系统是一种实时控制系 统，它要求系统响应速度快，调节精度高。 2 1 1 铝电解用直流电源的组成 中铝贵州分公司四期电解铝的直流电源由5 台额定容量为1 1 2 m v a 的整流机组组 成，如图2 1 所示。每台整流机组由调压变压器，整流变压器、自饱和电抗器和整流 器四部分组成，2 2 0 k v 的工业交流电源经调压变压器降至9 7 1 7 7 9 v ，再经整流变降至 1 1 7 0 v ，然后经2 台额定电流为3 5 k a 的三相桥式同相逆并联的整流柜，向电解系列提 供直流电流，整流元件采用二极管，自饱和电抗器的控制绕组最大电流为3 0 a ，调压 深度为8 0 v ，有载分接开关共9 5 级，每级电压1 3 v 。整个系列的额定电流为2 4 0 k a ， 年产能为1 7 万吨。 - 7 - 东北大学硕士学位论文 第二章稳流控制系统原理 图2 1 整流机组系统图 f i g 2 1s y s t e ms c h e m a t i co fr e c t i f i c a t i o nu n i t s 其稳流装置采用饱和电抗器与变压器有载分接开关联合调压的方式，有载分接开 关安装在调压变压器的二次侧，饱和电抗器的一次侧串接在整流变压器的二次侧上， 通过调整有载分接开关的级次与饱和电抗器控制绕组上电流的大小，达到控制整流机 组直流输出电流的目的。 2 1 2 饱和电抗器的工作原理 在铝电解用二极管整流的装置中，采用饱和电抗器与有载分接开关联合调压的方 式，可实现整流机组直流输出电压的平稳调节，达到平稳调节整流机组直流输出电流 的目的；此时饱和电抗器是实现电解系列电流平稳的关键器件，为此饱和电抗器必须 实现下列功能： 在有载分接开关的直流级差电压范围内起细调作用； 为了减少有载分接开关的动作次数，延长其使用寿命和检修周期，因此饱和电抗 8 - 东北大学硕士学位论文第二章稳流控制系统原理 器的高压范围应大于有载分接开关的直流级差电压，通常不少于两级，对于本系统， 还应大于一个阳极效应电压； 能自动消除由于交流电源侧的波动所引起的输出直流电流波动； 能自动保证各机组之间及同机组各整流柜之间的负荷均匀分配。 二极管整流装置调压用饱和电抗器有两种类型，与整流臂串联的自饱和电抗器和 相接式饱和电抗器，前一种使用较多。 2 1 2 1 自饱和电抗器的典型接线与调压原理 三相桥接自饱和电抗器的接线图如图2 2 所示：当整流臂a 1 流过电流i d 时，饱和 电抗器b k l 的工作绕组电流为i d ，其铁芯处于饱和状态，阻抗很小可以忽略不计。但 在换相过程中，饱和电抗器的电抗要发生变化；正常情况下，在e a = e b 自然换相点时 刻( 产0 ) ，如不考虑整流变压器漏抗的作用，则电流i d 应瞬时由a 1 相转换到b 3 相， 可是由于饱和电抗器b k 3 的阻止作用，换相被推迟。因为在o d t = 0 之前，饱和电抗器 b k 3 的铁芯在控制绕组某一给定电流作用下，铁芯的磁密及磁场强度分别为b 0 和h 0 ， 处于磁化特性的非饱和段；而在仁o 以后，e b e a ，在( e b e a ) 电压的作用下，工 作绕组通过很小的激磁电流使铁芯逐渐增磁，经过一定时间后，铁芯达到饱和，从铁 芯开始增磁( b o ) 到达饱和磁密( b b ) 的角度伍称为饱和角( 亦称控制角) 。由于在 经过0 【角度后，b k 3 铁芯饱和，阻抗很小，整流臂b 3 完全导通，负载电流i d 几乎完 全流经b k 3 ，与此同时，流经a 1 ( b k l ) 的电流立即大大减小，趋近于零。在仅角以 后的t 这段时间，b k l 的铁芯在反电压( e a - e b 为负) 作用下，逐渐祛磁，当磁密回 复到起始值b 0 时流过a 1 的电流为零，从而结束了换相的全过程，如图2 3 和图2 4 所示。 - 9 一 东北大学硕士学位论文第二章稳流控制系统原理 i d a 1b 3c 5 三 - ， 一k【】 l ， 、) b k 多、)i b k 多 b k l 苌 石、 二 石、 弋二 ( 、 u l ， 、)i b k 量b k 撵)b k 喀 、- a 2b 4c 6 一l一【】 图2 2 三相桥接自饱和电抗器接线图 f i g 2 2w i r i n gd i a g r a mo ft h r e e p h a s eb r i d g ec o n n e c t e d t ot r a n s d u c t o r j lb n l d d 。 b o 卅 h l 。h m h 0h m b b 图2 3 饱和电抗器铁芯理想磁化曲线 f i g 2 3i d e a lm a g n e t i z a t i o nc u r v eo ft h ei r o nc o r ei nt r a n s d u c t o r 1 0 上 t ， r 东北大学硕士学位论文 第二章稳流控制系统原理 b b 。 ld 厂 l ， i g w g 、 7i k w k 二 么 b b 图2 4 饱和电抗器各绕组相互关系 f i g 2 4i n t e r - r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew m d i n g si nt h et r a n s d u c t o r 综上所述，自饱和电抗器的调压原理为：通过调节饱和电抗器控制绕组的电流1 1 ( 的大小，改变铁芯的起始磁密b 0 ，来调整饱和角( 控制角) a ，在不同的a 角下，整 流装置的直流输出电压值不同，从而达到调整整流装置直流输出电流的目的。 2 1 2 2 工作绕组、控制绕组和偏移绕组的作用 二 工作绕组：是饱和电抗器的主绕组，其作用相当于非线性可控电抗器；但如果仅 有工作绕组而无控制绕组，则初始磁密b 0 = 0 ，磁密变化量等于饱和磁密( a b = b b ) ， 因而饱和角( 控制角) 伍为定值而不可控，电抗值也不可控。 控制绕组：顾名思义，控制绕组是控制饱和电抗器的饱和角( 控制角) 的绕组， 当调节通过控制绕组的电流时，能控制铁芯的初始磁密b 0 ，从而控制磁密的变化量 a b = b b b 0 ，达到间接控制饱和角( 控制角) 和工作绕组电抗的目的；但通过控制绕 组的电流只能做单向数值上的调节，i k = 0 时，b 0 = 0 ，a b = b b b 0 = b b ，控制角a 的调 节范围有限。 偏移绕组：作用是充分利用铁芯的激磁性能，使单方向调节控制绕组电流能得到 最大的控制角；为了充分利用铁芯磁化曲线，进行较大范围的调压，使a b = b b ( b b ) = 2 b b ，则必须使磁场强度h 从+ h m 变到h m ，为此通常在自饱和电抗器上增设偏移 绕组，在其直流磁势的作用下，使铁芯预先达到饱和状态。 最大控制角：如图2 4 所示，控制绕组的安匝i k w k 与i g w g 极性相同，是增磁作 用；控制绕组的电流可由0 到，2 i k m 进行调整，而偏移绕组的电流值i p = + i k m 是不变 的，所以当i k = 0 时，由于偏移绕组的安匝使铁芯已在饱和点( 此时b 0 = b b ) ，而当 1 1 东北大学硕士学位论文第二章稳流控制系统原理 w g 开始导电时，其安匝极性与w p 同方向，结果使铁芯完全饱和，此时控制角a = 0 ， 调压深度a u d = 0 ，当i k 从0 向2 i k m 方向增大时，