CN102354993A - 一种基于plc的电弧炉电能质量控制器 - Google Patents

Abstract

一种基于PLC的电弧炉电能质量控制器。本发明由控制系统和电能质量提高系统两部分组成，控制系统由工控机、PLC、DSP构成，电能质量提高系统由TSC_TCR型无功补偿装置和辅助电路构成，该控制器根据瞬时无功功率，结合炉况信息，实时调整补偿参数，提高补偿精确度。此装置对无功功率和功率因数的变化能够实现快速实时的补偿，运行成本低，控制稳定性高。

Description

一种基于PLC的电弧炉电能质量控制器

技术领域

本发明属于炼钢设备领域，涉及一种三相交流电弧炉的电能质量控制器，由工控机、PLC和DSP构成控制系统，补偿系统为TSC TCR型无功补偿装置，适用于各种容量下的三相交流电弧炉。

背景技术

电弧炉作为炼现代炼钢的主要设备，随着高生产率、低能耗、低物料消耗和高环保指标的产业要求，现代电弧炉向着超高功率、超大容量的方向发展。然而随着容量和功率的增大，电弧炉运行带来的谐波、电压波动和闪变、功率因数低等电能质量问题越来越突出。不仅危害其他用户的用电安全，同时也影响自身的产品质量。

目前对电弧炉所产生的电能质量问题采用的主要措施有：1、针对谐波本身，采用装设补偿装置；2、在电网内部采用合理选择供电电压等级。提高电压等级在一定程度上能消除谐波问题，但是其消除的方式是将现有问题馈送到更高等级的电网中，造成更严重的危害。采用装设补偿装置是目前广泛采用的提高电能质量。补偿装置一般包括LC无源滤波器、APF有源滤波器、SVC静止无功补偿器、SVG静止无功发生器和UPFC统一潮流控制器。根据电弧炉的工程特点，SVC无疑是一种理想的补偿方式。

SVC有多种结构：晶闸管控制电抗器型，本身就是一个谐波源，滤除了电弧炉产生的谐波又产生了新的谐波；晶闸管控制电抗器型，本身不产生谐波，但不能实现连续调节。

静止同步补偿器STATCOM能够快速的提供容性无功和感性无功功率、稳定电压、提高系统稳定性、改善系统动态性能，对于大容量、高功率的电弧炉系统，采用STATCOM能够得到较好的补偿效果，但是这也大大的提高了成本。

发明内容

本发明目的是为了解决现有电能质量控制装置的不足，提出了一种基于工控机、SIEMENS S7-400、DSP和TSC_TCR型SVC配合使用的电能质量控制系统，即一种基于PLC的电弧炉电能质量控制系统，本发明所提出的系统能够快速灵活的实现TSC+TCR型SVC的协调控制，充分发挥两者各自的优点，抑制其缺点。

本发明提供的基于PLC的电弧炉电能质量控制器包括：

数据采样单元：实时采集三相交流电弧炉电网侧的三相电压值和三相电流值；

数据处理单元：由DSP数据处理单元、双口通信单元和单片机单元构成；主要作用是根据数据采样单元采集的三相电压值和电流值，采用基于三相瞬时无功功率的ip-iq算法对三相无功功率进行计算，有：

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c\\ 1/\sqrt{3}[(e_b-e_c)i_a+(e_c-e_a)i_b+(e_a-e_b)i_c]\end{array}\right]$

经DSP数据处理单元运算后，计算得出所需投入的TSC的支路数，投切信号经由输出单元送到过零触发电路，过零对TSC进行触发；TSC的投切信息经保护电路和单片机单元馈送回DSP数据处理单元，结合当时的炉况信息和触摸屏预设的参数值以及TSC的投入信息，修正TCR的触发角度，相位触发信号通过脉冲触发放大电路发出控制信息，该信号经过脉冲保护电路限幅后，控制TCR导通；

炉况判断单元：核心算法是在PLC1上实现模糊专家系统控制，增强了判断的准确性，炉况判断单元将炉况信息返回工控机单元；电弧炉的主要任务是完成钢铁的融化任务，大量的电能消耗在熔化期。熔化期又分为以下几个阶段：点弧期、穿井期、主熔化期和融末升温期。这四个工作状态的工作特点和用电量以及电极位置不同，其产生的电能质量问题也不同，准确的电弧炉的工作时期，并根据不同时间的产生的电能质量问题的不同设定不同的补偿参数，有利于提高补偿系统的控制精度和不产效果。本发明利用输入电量和电极位置相结合的办法判断炉况。设电极下降距离为S，电极半径为d，则可以通过如下关系判断电弧炉处于哪一工作时期：

采用PLC对电压输入量进行采样计算电极位置，并把电极位置作为一个参数，把输入电弧炉的能量比作为另一个参数，将二者进行模糊化，结合上表中的专家知识，可以得到电弧炉的工作炉况。

工控机：根据炉况信息，电弧炉电网侧瞬时三相电压、电流信息，发出补偿器控制信号；当炉况异常时发出报警信号，同时启动保护电路，防止补偿系统遭到毁坏；炉况正常工作状况下，则执行后续操作。

PLC：其作用是计算TSC和TCR的控制信号。

光电隔离电路：由于输出单元输出的脉冲为高频脉冲，该脉冲在经过光电隔离电路实现光电转换以后，通过光纤连接到过零触发电路；

过零触发电路：过零触发电路的主要主用是判断TSC的投入时机，使得TSC投入时的冲击电流为零，同时缩短暂态过程，提高响应速度。

脉冲触发放大电路：其作用是将PLC输出的相位控制信号转换成触发脉冲；

TCR、TSC和特征滤波支路：采用TSC进行分级粗调，平衡系统的主要电能质量问题；TCR用于相控细调，为了抑制TSC投入数目增加以及投入时机选取的误差所造成的冲击电流。

系统的动作原理为：

数据采集单元用于采集三相电弧炉电网侧的三相电压和三相电流；

DSP运算单元将数据采集单元采集得到的三相电压和三相电流进行运算，分离出基波电流和谐波电流并计算瞬时无功功率，选取适当的控制策略，输出TSC的投切信号；

控制信号经由PLC单元形成TSC投切触发信号和TCR相位控制信号，投切触发信号经过过零触发单元进行判断，选取TSC的最佳投切时间，减小TSC在投入和切除系统时产生的冲击电流，从而保护系统不受损坏。相位控制信号经过脉冲放大电路，形成触发信号并控制导通相角，从而控制补偿电流的大小。

TCR触发角的值与TSC的投入信息有关，在电容器投入组数的增加和投入实际不准确时，经过PLC计算适当调整触发相角，平衡容性无功功率，增强系统的控制精度，提高补偿效果。

工控机有以下功能：

密码输入，对不同的工作人员设定不同的密码以及相应的操作权限，避免误操作和非法操作的发生；

自动运行是正常工作状态下的界面，提供实时监测和数据记录的功能；

检测和维修时采用手动运行，方便对系统调试、维护和故障处理；

故障报警对各运行单元进行实时检测，提供故障部分的数据和拟建议的解决方案，可采用声音，闪光灯或者声光报警模式；

故障复位，故障排除后用于将系统恢复到正常工作状态；

参数设定，用于修改各系统参数，如功率上下限，功率因数参考值，电容器投切的延时时间等参数；

操作日志用于记录一段时间内各系统的动作状态，如电容器的动作次数，电抗器的导通记录，功率因数的合格率等，也用于统计和分析各种数据，并提供查询功能。

本发明的优点和积极效果：

1、采用TSC+TCR型SVC，其补偿效果优于两者单纯的叠加，即减小了TCR本身产生的高次谐波含量，也弥补了TSC只能进行分级补偿的不足。

2、可以根据电弧炉的不同工作时期的工作特点，设定不同的工作参数和控制精度等，控制灵活。

3、采用人机对话模式，弥补了传统控制中对于紧急状况处理方式机械化的不足，增强了系统控制的灵活性，可实现远程监控。

4、利用S7-400强大的数据通讯功能，可以实现系统的远程控制。

附图说明

图1是无功补偿控制原理图。

图2是基于PLC的控制器原理框图。

图3是DSP数据处理单元数据流程图。

图4是在PLC上实现炉况判断的程序框图。

图5是工控机功能图。

具体实施方式

实施例1：基于PLC的电弧炉电能质量控制器

本例提供了一种基于S7-400PLC的电弧炉电能质量控制器，电能质量控制器系统如图1所示，本发明中采用的电弧炉是三相交流电弧炉，电能质量控制器装设在电弧炉变压器低压侧，检测单元将检测到的三相瞬时电压和电流数据传送到控制单系统，由控制单元计算、选择控制策略，形成触发脉冲对无功补偿装置进行控制。

控制系统原理如图2所示，DSP接收并处理采集的瞬时电压和电流值，结合炉况判断单元给出的炉况信息和设定参数计算出所需投入的TSC数目，发出相应的投切信号，信号通过过零触发单元选取TSC的投切时间；控制系统中的PLC一方面接收DSP传递过来的TCR的相位控制信息，一方面处理反馈回来的电容器组投切信息，结合这两者计算得到TCR最终的相位控制信号，由脉冲放大电路输出控制脉冲，控制TCR动作，最终消除TSC带来的不良影响。DSP数据处理单元数程序流程图如图3所示，图4和图5分别给出了实现炉况判断的程序框图和工控机功能图。

工作流程：电弧炉的瞬时电压和电流数据通过数据采集单元采集得到供DSP数据运算单元处理的三相电压和三相电流的瞬时值，在自动运行模式下，系统根据已设定好的各相参数，结合谐波电流的大小，控制TCR的导通角度和确定所需投入的TSC支路数；手动运行模式下由工作人员通过经验和系统提供的参考数据控制TCR导通角度的大小和投入TSC支路的数目。导通角控制信号通过触发单元产生触发脉冲，控制TCR动作；TSC投切信号通过过零触发单元计算其最佳投切时间，产生相应的投切信号，使得TSC在系统中投入或者切除。

炉况判断单元：电弧炉作为一个工作状态复杂的冲击性负荷，有熔化期、氧化期和还原期三种工作时期。电弧炉的主要任务是完成钢铁的融化任务，大量的电能消耗在熔化期。熔化期又分为以下几个阶段：点弧期、穿井期、主熔化期和融末升温期。这四个工作状态的工作特点和用电量以及电极位置不同，其产生的电能质量问题也不同，准确的电弧炉的工作时期，并根据不同时间的产生的电能质量问题的不同设定不同的补偿参数，有利于提高补偿系统的控制精度和补偿效果。

本发明利用输入电量和电极位置判断电弧炉的工作状态。电弧炉在工作过程中所消耗的能量主要由电能转换而来，处于不同冶炼时期的电能消耗是不同的，在某一阶段消耗的电能和消耗的总能量得比值是基本稳定的，根据经验，将各时期的耗能比制成下表：

炉况	点弧期	穿井期	主熔化器	融后升温期
					能量输入	＜2％	＜10％	＜80％	＞80％

然而仅通过能量变化来判断炉况是不完整的，影响电弧炉工作状况的另一个重要参数是电极位置。处于不同炉况的电极行程是不同的，根据经验，现将电极位置和炉况之间的关系列在下表中：

根据电极位置和输入能量比，通过模糊运算就可以得到电弧炉的工作炉况。

TCR、TSC和特征滤波支路：本发明采用一路TCR系统滤波电抗器并联入电网，进行相控细调；多路TSC系统作为分级粗调并联在电网上。这种补偿系统的投切时间精确可控，连续可调且投入时产生的冲击电流小。在电网上并入3、5、7次特征滤波器，用来滤除TCR产生的高次谐波。

控制系统：控制系统由DSP数据运算单元、S7-400PLC逻辑运算单元以及工控机单元构成。DSP单元作为运算单元，接收并处理从电网侧采集来的电压和电流值，结合当前炉况和设定参数计算出所需投入的TSC数目，并发出对应的投切信号，信号通过过零触发单元选取TSC的投切时间。TSC的补偿效果如何，关键在于其投切时间的选取，不恰当的投切时间会产生大量的冲击电流，毁坏与电容器相连的晶闸管。根据电容电压电流特性，如下式所示：

$i_c=C\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}$

可知当电容导通时的电容充电电压等于电源电压峰值时，不产生冲击电流，即电压的变化量为0时，流过电容器的电流也为零；DSP单元的另一个作用是将TCR的补偿相角，并输送到输出单元。可编程控制器S7-400由于其强大的通讯功能，反映速度快等优点，适用于高性能的控制领域。PLC一方面接收DSP传递过来的相位控制信息，一方面处理反馈回来的电容器组投切信息，结合这两个参数，计算控制相角。这样做的目的是，确保因为电容器投入组数的增加和投入实际不准确造成的容性无功功率得到平衡，增强系统的控制精度，提高补偿效果。此外，S7-400可以通过Internet进行网络通信，可以实现远程监控；工控机为人机界面，主要包括按钮面板，文本显示器，操作面板，触摸屏或多工能面板。各部分由MPI或PROFIBUS-DP连接，可实现一机多屏或者一屏多机。在工控机可完成手动操作和自动操作的切换，故障报警系统和复位，操作日志和采集数据的记录的操作，并带有密码系统，对不同的操作人员设置不同的操作权限，以免误操作的发生。正常运行状况下可以采用自动运行模式，各部分运行状况和参数可实施显示；系统处于调试或者其他特殊情况时，可以采用手动操作模式。当炉况异常或者补偿系统故障，故障报警系统可以通过声光报警；故障排除后可通过复位系统复位各项设置；以上各操作的时间，操作人员，原因，处理方式以及处理结果将在操作日志中保存，为以后维护和调整系统提供依据；参数设置单元可以设置如功率因数上下限等参数，方便调整。

Claims (1)

1.一种基于PLC的电弧炉电能质量控制器，其特征在于该控制器包括：

数据采样单元：实时采集三相交流电弧炉电网侧的三相电压值和三相电流值；

数据处理单元：由DSP数据处理单元、双口通信单元和单片机单元构成；主要作用是根据数据采样单元采集的三相电压值和电流值，采用基于三相瞬时无功功率的ip-iq算法对三相无功功率进行计算，有：

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_a{i}_a+e_b{i}_b+e_c{i}_c\\ 1/\sqrt{3}[(e_b-e_c)i_a+(e_c-e_a)i_b+(e_a-e_b)i_c]\end{array}\right]$

经DSP数据处理单元运算后，计算得出所需投入的TSC的支路数，投切信号经由输出单元送到过零触发电路，过零对TSC进行触发；TSC的投切信息经保护电路和单片机单元馈送回DSP数据处理单元，结合当时的炉况信息和触摸屏预设的参数值以及TSC的投入信息，修正TCR的触发角度，相位触发信号通过脉冲触发放大电路发出控制信息，该信号经过脉冲保护电路限幅后，控制TCR导通；

炉况判断单元：核心算法是在PLC1上实现模糊专家系统控制，增强了判断的准确性，炉况判断单元将炉况信息返回工控机单元；电弧炉的主要任务是完成钢铁的融化任务，大量的电能消耗在熔化期；熔化期又分为以下几个阶段：点弧期、穿井期、主熔化期和融末升温期；这四个工作状态的工作特点和用电量以及电极位置不同，其产生的电能质量问题也不同，准确的电弧炉的工作时期，并根据不同时间的产生的电能质量问题的不同设定不同的补偿参数，有利于提高补偿系统的控制精度和不产效果；本发明利用输入电量和电极位置相结合的办法判断炉况；设电极下降距离为S，电极半径为d，则可以通过如下关系判断电弧炉处于哪一工作时期：

采用PLC对电压输入量进行采样计算电极位置，并把电极位置作为一个参数，把输入电弧炉的能量比作为另一个参数，将二者进行模糊化，结合上表中的专家知识，进行模糊推理，通过反模糊化就可以得到电弧炉的工作炉况；

工控机：根据炉况信息，电弧炉电网侧瞬时三相电压、电流信息，发出补偿器控制信号；当炉况异常时发出报警信号，同时启动保护电路，防止补偿系统遭到毁坏；炉况正常工作状况下，则执行后续操作；

PLC：其作用是计算TSC和TCR的控制信号；

光电隔离电路：由于输出单元输出的脉冲为高频脉冲，该脉冲在经过光电隔离电路实现光电转换以后，通过光纤连接到过零触发电路；

过零触发电路：过零触发电路的主要主用是判断TSC的投入时机，使得TSC投入时的冲击电流为零，同时缩短暂态过程，提高响应速度；

脉冲触发放大电路：其作用是将PLC输出的相位控制信号转换成触发脉冲；

TCR、TSC和特征滤波支路：采用TSC进行分级粗调，平衡系统的主要电能质量问题；TCR用于相控细调，为了抑制TSC投入数目增加以及投入时机选取的误差所造成的冲击电流。

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