稳流控制系统介绍

1、稳流控制系统构成及通讯培训大纲1、 稳流系统组成2、 饱和电抗器工作原理3、 稳流控制器组成及稳流原理4、 稳流控制系统程序及运行方式稳流控制系统构成及通讯电能是电解铝生产的重要能源，电解铝生产采用的是直流电，电能成本约占电解铝总成本的30%-40%。铝电解生产供电有以下特点：低电压、大电流的直流电；直流电能生产的连续性；直流电能供给的恒流性。目前国内大型整流设备有两种整流方式：整流变+可控硅整流，整流变（调压开关）+自饱和电抗器+二极管整流。电流的控制方式一般采用恒流控制，恒定直流电流的调节方式一般为整流变压器有载调压开关与自饱和电抗器相结合的方式，有载调压为直流电压的粗调，自饱和电抗器为直

2、流电压的细调，自饱和电抗器是直流电流恒流控制的主要执行元件，调节直流电压的范围约为5070V。综上所述，稳流系统=有载调压开关+自饱和电抗器+稳流控制系统一、饱和电抗器1饱和电抗器必须实现以下职能： 1 在有载调压分接开关的直流级差电压范围内起到细调作用； 2 减少有载调压分接开关的动作次数，以延长其检修周期和使用寿命，为此饱和电抗器的调压范围应大于有载调压开关的直流级差电压（每调一档电压差在12-16V），通常不小于两级差电压，同时也不应小于电解一个阳极效应的电压（40-50V直流电压）； 3 校正电网电压短时波动所引起的电解直流电流波动； 4 校正各整流机组之间或同一机组两整流装置之间的负

3、荷分配不均。2工作原理饱和电抗器是利用铁磁物质磁化曲线的非线性和饱和特性，以较小的直流功率来控制较大的交流负载的一种电器，即利用铁磁物质的磁导率不是常数这一特性而工作的。饱和电抗器属于交直流同时磁化的非线性电抗器，与负载串联，用来调节负载的电流和功率，可以把饱和电抗器看成一个可控制的阻抗，但它是非线性的，不能用近似线性的电抗器的概念来解释饱和电抗器。饱和电抗器的基本工作原理是利用直流绕组电流的大小来改变交流电路的电抗。原理如图1，它是一个具有交流绕组和直流绕组的铁芯磁路。当交流电压Ua和交流回路电阻Ra不变时，交流电流Ia与交流线圈La有关：在不计漏磁和铁芯损耗的情况下，线圈的电感量可用下式表

4、示：从上式可知，交流线圈的电感量在一定的磁路L和匝数N下与磁路铁芯的磁导率成正比。改变磁导率就可以改变交流线圈的电感，从而改变电流和电抗器的容量。由于铁磁物质的磁导率不是常数，在正常工作下磁导率随铁芯的饱和而减小，而铁芯饱和程度的变化可以通过改变直流绕组的励磁电流Id来实现。Id增大则铁芯的磁感应强度增大，铁芯接近饱和，磁导率减小，从而电感值减小，交流电流Ia随之增大。由此可见，直流电流的大小可以控制交流输出电流的大小，将直流绕组称为控制绕组，交流绕组称为工作绕组。3. 调节过程如图2所示，利用饱和电抗器的输出特性，将饱和电抗器的交流工作线圈串接在整流装置的整流臂中，直流控制绕组接控制电源。在

5、不考虑整流变压器漏抗的理想情况下，在t=0时刻以前，整流桥臂D1流过的电流为Id，电抗器BK1工作绕组中的电流为Id，此时电抗器BK1的铁芯处于饱和状态，其磁阻很小可以忽略不计；在t=0时，由于Ua=Ub,则电流Id应瞬时由a相换到b相，但由于饱和电抗器BK3的阻碍作用，使的换相被推迟，其推迟的时间与饱和电抗器BK3的起始状态有关；在t=0时刻以后，由于UbUa，在电压差的作用下，饱和电抗器BK3工作绕组中的电流逐渐增加，激磁作用加大，在t=t1时刻BK3铁芯饱和，磁阻很小，整流桥臂D3完全导通，负载电流Id几乎全部流经BK3的工作绕组，与此同时，电抗器BK1的铁芯在反向电压（Ua-Ub为负）

6、的作用下逐渐去磁，至t=t2时刻电抗器BK1的铁芯恢复到起始状态，整流桥臂D1封闭，电流为零，完成一个换相过程，如图3所示。由此可见，由于饱和电抗器交直流的同时励磁，使得三相整流桥的换相点由t=0时刻延迟到t=t1时刻，改变了整流桥的直流输出电压，达到了调节的目的，其对应角度为称为饱和角，是指BK3铁芯从开始增磁至达到饱和状态的角度，它的大小主要由饱和电抗器铁芯的起始状态来决定，也就是控制绕组中的直流电流的大小来决定，随控制电流大小的变化而变化。4.控制绕组电抗器的控制绕组有正偏绕组和负偏绕组两种，在实际应用中通常将正偏绕组称作偏移绕组，而将负偏绕组称作控制绕组。通过电抗器工作绕组的电流方向是

7、固定的，而负偏绕组所加电流的方向与工作绕组的电流方向相反，当控制绕组（负偏绕组）中的电流增加时，饱和电抗器的饱和角增加，三相整流桥的换相延迟加大，整流桥输出直流电压减小，直流电流相应减小。 当电解效应造成电解直流电压升高或电网电压下降，电解直流电流下降时，可以使电抗器的控制电流Ik相应减小，对应的电抗器饱和角减小，三相整流桥的换相角延迟减小，整流装置的输出电压增加，电解直流电流相应增加，起到了自动调节的作用，反之亦然。5.偏移绕组的作用 正偏绕组也叫做偏移绕组，主要起到两个作用：一个是增加饱和电抗器的调压深度，另一个是平衡同一整流机组两台整流装置之间的负载。由图4可知，为了更好的利用饱和电抗器

8、的线性工作范围（即为了增加饱和电抗器的饱和深度），增大饱和电抗器的调压范围，可以使图4中的H轴（磁场强度）向下偏移来达到这个目的。我们就把这个增加饱和电抗器调压深度的绕组叫做正偏绕组。在正偏绕组上加入电压Up就可以使饱和电抗器的调压深度增加，此电压叫做偏移电压，绕组中的电流叫做正偏电流。如图5所示，在正偏绕组中通过电流Ip时，横轴将由H移到H位置，即线性区ob段增加，达到了增加调压深度的作用。二、稳流控制系统1、PLC稳流控制系统PLC稳流控制系统对饱和电抗器电流控制采用功率器件IGBT，通过控制IGBT占空比以改变电抗器的控制电流和偏移电流，IGBT的配专门驱动电路，电流闭环的PID调节采用

9、PLC的软指令控制。稳流控制系统的控制器是饱和电抗器，按控制方式划分有两种，一种是负控制方式，即饱和电抗器控制电流增加，整流器输出电流减少：另种是正控制方式，即饱和电抗器控制电流增加，整流器输出电流也增大。2、IGBT 也称为绝缘栅双极晶体管, 是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件,既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点, 又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点,。IGBT 的开关作用是通过加正向门极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。（G门极，C集电极。E

10、发射极） 驱动电路控制IGBT占空比，即导通角度从而控制其输出电压大小，采用了PWM技术，脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。3、PLC自动稳流控制系统组成采用N+1结构形式，即6台整流机组各配置l套分调PLC控制器稳流装置实现单机组的小闭环稳流控制；总调控制由1台总调PLc控制器完成，安装于中央控制

11、室，实现系列直流电流的大闭环稳流控制。PLC自动稳流控制系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括单机组PLC稳流控制器、系列总调PLC稳流控制器、三相桥式整流桥(IGBT模块)组件、IGBT驱动电路以及电源模块、附件等组成。软件部分包括PLC系统软件、PID控制软件以及有关自动控制软件组成。4. 单台整流机组稳流控制 稳流控制如图6所示，稳流控制的原理是将整流柜的直流输出电流经电流变换后形成反馈If（0-5V），与给定电流Ig在PLC中比较后形成一个比较电压，比较电压经PID运算后，控制PLC输出脉冲的占空比，从而改变IGBT的输出电流，也就是控制绕组电流Ik，用来调节整流装置的输出电流。系统

12、的调节过程是：当电解槽发生阳极效应时，槽电压上升，电解电流下降时，由于PID调节器的作用，IGBT的导通角将变小，输出电压降低，饱和电抗器控制电流IK下降，其铁芯的饱和角变小，二极管导通滞后时间变小，整流装置输出电流增加，从而使电解电流达到恒定。 平衡控制平衡控制原理图与稳流控制原理图相同，只是给定信号与反馈信号不同。平衡控制的原理是保持台饱和电抗器的正偏电流不变，将A台整流装置的输出电流做为给定信号，将B台整流装置的输出电流做为反馈信号，在PLC中进行信号比较和PID运算后，控制PLC输出脉冲的占空比，改变IGBT的输出电流，从而控制台饱和电抗器的正偏电流，使A、B台整流装置的输出电流始终保

13、持一致。其调节过程是：当B台整流装置的输出电流大于A台整流装置的输出电流时，PLC控制器中的比较信号电压下降，经PID运算后IGBT的导通角变小，输出电流下降，也就是B台电抗器的正偏电流下降，由于电抗器正偏绕组中的电流方向与工作绕组中的交流电流方向相同，正偏电流的增磁作用减弱，B台电抗器铁芯的饱和角加大，二极管导通滞后时间加长，B台整流装置的输出电流减小，起到平衡A、B台整流装置平均分担负荷的目的。5. 电解系列稳流控制一般大型整流系统由几个单机组并联组成，系列电流等于几个单机组输出电流之和。单机组稳流控制器可实现单机组输出电流稳定。为了使系列电流更加精确稳定，特设计系列电流稳流控制。系列直流

14、电流经总直流互感器及变送器反馈至总调PLC与系列电流设定(数字给定)进行比较，经PID计算调节，输出一电压值并平均分配给各整流机组，作为各整流机组的分调给定，并同时判断各单机组饱和电抗器的工作状态，自动控制有载开关的升降，使饱和电抗器始终工作在线性区，从而进一步提高系列电流的稳定性。系列电流控制原理图如图上图所示。其调节过程如下：当电解负载增大时，系列电压上升，系列电流ld降低。因设定电流Ig不变，所以Uf一UUgd，使机组控制电流Ik降低。如果效应大于控制电压，因饱和电抗器已经饱和，总自动调节变压器有载开关升级。 三、稳流控制系统通信该控制系统采用主从控制结构：主站选用西门子S7-300控制

15、器，从站选用S7200控制器，主站与从站之间的通讯采用PROFIBUS-DP（数据传输速率高达12Mbp，最多125从站）通讯协议。总调PLC与单机组PLC通过现场总线PROFIBUS实现数据传输和交换，监控计算机与总调PLC采用MPI（波特率为1875千位秒，两个结点之间的通讯距离50米，最多连接32个站）网络通讯，控制方式的选择及系统信息的显示均由上位机实现。通信线路主-从之间均采用光缆。后台之间用网线。其系统图如下：光电转换模块MPI光缆光电转换模块Profibus-DP总控PLC3001#整流机组S7-PLC200后台监控机综自系统光电转换模块2#整流机组S7-PLC200光电转换模块

16、5#整流机组S7-PLC200四、稳流控制程序及运行方式：1.控制程序：电解系列总电流的恒电流、恒安时控制是通过调节整流机组的直流输出电压来实现的。正常运行中，电网电压或电解槽负载的波动应在饱和电抗器的调节范围内而获得精确的闭环控制。对于超出饱电抗器调节范围的情况，PLC控制系统应采取以下响应：电解系列总电流正超出或负欠流时，总PLC自动对各整流机组的有载分接开关进行降档、升档操作，使电流进入目标范围内。正常运行中6台整流机组中的任意1台因故退出运行对，总调PLC自动切换整流机组运行方式(即从6机组运行方式切换到5机组运行方式)，同时，自动调整各机组恒电流闭环控制的给定值，并进行5台整流机组的有载分接开关的升档操作，使总电流输出达到系列电流运行目标值水平。软件的总体结构分为两部分，一是总调PLC稳流大闭环控制软件，二是机组PLC稳流小闭环软件。总调PLC的主要任务是总电流设定与总电流反馈的比较，实现恒安时、恒电流控制。机组PLC的主要任务是单机组直流给定与反馈的比较，PID运算、PWM控制脉冲输出。2.运行方式：本稳流系统包括主控台操作部分，总调PLC部分，单机组稳流柜部分和单机组稳流柜触摸屏部分。l 稳流系统总调的状态有“自动/手动”l 稳流系统机组的状态有“总调/分调”l 有载开关总的状态有“自动/手