CN102478602B - 一种矿热炉三相电极功率测量方法 - Google Patents

一种矿热炉三相电极功率测量方法 Download PDF

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Abstract

一种矿热炉三相电极功率测量方法，包括电压互感器、电流互感器、电源中心点电路、一次电压变送器、一次电流变送器、一次有功功率变送器、熔池中心点电路、熔池电压变送器、模拟量输入模块、可编程控制器PLC及工控机。本发明通过构建电源中心点电路获得三相电炉变压器的中心点，通过构建熔池中心点电路获得矿热炉的熔池中心点，各变送器将采集的电压、电流、功率信号转换为标准电流信号后送至可编程控制器PLC的模拟量输入模块，PLC主机通过工业以太网（或MPI）把这些数据传给工控机，工控机根据三相电极功率模型求得各电极的有功功率。该方法实现了三相变压器供电矿热炉的三相电极功率的有效测量和平衡控制，稳定了炉况，降低了电耗。

Description

一种矿热炉三相电极功率测量方法
技术领域
本发明涉及一种三相电极功率测量方法。
背景技术
矿热炉是冶炼铁合金的主要设备，它通过电极将电能输入到炉内。在矿热炉铁合金冶炼过程中，供电控制是维持炉况稳定和保证冶炼正常进行的重要条件。其目的是在电炉供电变压器容量允许的条件下通过改变电炉变压器的二次电压等级和升降电极来保持三相熔池功率平衡，并使输入到炉内的有功功率最大，以提高电效率和热效率。目前，作为直接调节的供电参数有电极电流、电极阻抗或熔池功率。由于在电炉运行过程中炉膛有效电阻的变化和供电线路电压的波动等干扰的存在，使得电极恒电流控制和恒阻抗控制都不能保证炉膛的各相有功功率稳定，导致各相电极的反应区和坩埚大小不一致，影响冶炼效率，实践证明，炉膛有效功率平衡控制不仅可以稳定炉膛的熔炼功率，而且相同的炉膛有功功率可在不同电极电流Ii2(i=A,B,C)和功率因数                                                
Figure 784068DEST_PATH_IMAGE001
的组合下得到，选择小电极电流和大炉膛功率因数的组合是提高电炉设备的电效率和熔炼效益的最佳选择。
但采用三相变压器供电的矿热炉，是没有引出变压器中心点和熔池中心点的，所以无法对三相电极功率直接进行测量，炉膛有效功率平衡控制只能在入炉总功率不变的条件下，通过调节电极电流和两电极之间的线电压平衡来实现，这一方法在三相熔池负载对称的情况下是有效的。但事实上，由于与每一相电极相连短网的长度不等以及三相短网布置的不对称，使得三相短网阻抗不平衡，当通过调节电极位置来控制三相一次电流平衡时，因三根电极插入深度不同，在变压器零点和熔池零点之间存在电压漂移，使各相电极对熔池零点的电压不等，无法保证三根电极得到同样的功率，导致炉膛温度场不均匀，三相熔池坩埚的大小、位置不同，使吃料量有差异，影响炉况及冶炼的各项经济技术指标，从而导致出现电极烧结不好、炉况不稳定、产品质量标波动大、吨电耗高明显高于国家规定标准等问题。
发明内容
为了解决三相变压器供电的矿热炉三相电极功率不可测、难以实现炉膛有效功率平衡控制的问题，本发明提供了一种矿热炉三相电极功率测量方法。
本发明的矿热炉三相电极功率测量方法由硬件和软件两部分组成，硬件电路由电流互感器、电压互感器、电源中心点电路、一次电流变送器、一次有功功率变送器、一次电压变送器、熔池中心点电路、熔池电压变送器、可编程控制器PLC以及工控机组成；电压互感器的一次线圈并接在三相电炉变压器高压侧对应的输入端子上，电压互感器的二次线圈与电源中心点电路的对应端子相连，以获得三相电炉变压器的中心点，一次电压变送器与电源中心电路对应的输出端相连，以采集一次侧的相电压, 一次电压变送器的输出端与模拟量输入模块的输入端相连，电流互感器的一次线圈串接在三相电炉变压器对应的输入端子上，电流互感器的电流输出端与一次电流变送器的输入端相连，以采集一次侧的相电流,一次电流变送器的输出端与可编程控制器PLC的模拟量输入端相连,一次有功功率变送器的电流输入端与电流互感器对应的电流输出端相连，一次有功功率变送器电压输入端与电源中心点电路对应的输出端相连，一次有功功率变送器的输出端与可编程控制器PLC的模拟量输入端相连，熔池中心点电路获取矿热炉熔池的中心点，熔池电压变送器的输入端与熔池中心点电路的对应输出端相连，熔池电压变送器的输出端与可编程控制器PLC的模拟量输入端相连，可编程控制器PLC通过工业以太网（或MPI）与工控机相连。 
电源中心点电路由三个阻值为1M欧、额定功率为1/4W的高精密金属模电阻R1，R2，R3接成对称星型，对称星形电阻负载的公共连接点为电源变压器的中心点N，电源中心点电路对应的输出端子为电压互感器的输出端L1、L2、L3及变压器中心点N。
熔池中心点电路是在矿热炉炉底三相电极的几何中心上插入耐高温、耐腐蚀、导电性强的钼电极引出熔池中心点N′，熔池中心点电路对应的输出端子为铜瓦与三相电极A、B、C的连接端a、b、c和熔池中心点N′。
可编程控制器PLC将4-20mA的标准电流输入信号通过工业以太网（或MPI）传给工控机，工控机根据三相熔池功率模型按预先设定的算法计算矿热炉每一相电极的有功功率,具体步骤如下：
Figure 43011DEST_PATH_IMAGE002
用一次相电压乘以一次相电流计算出一次侧三相供电电源的视在功率
Figure 266182DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 596669DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 120054DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 18740DEST_PATH_IMAGE006
用每一相的有功功率除以对应相的视在功率得到一次测三相电源每一相的功率因数
Figure 336064DEST_PATH_IMAGE007
及对应的功率因数角
Figure 345609DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 582555DEST_PATH_IMAGE009
用一次侧每一相电源的视在功率乘以对应相功率因数角的正弦函数值得到一次侧每一相的无功功率
Figure 917721DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 459692DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 538507DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 505326DEST_PATH_IMAGE013
将每一相有功功率求和得到三相电源总有功功率
Figure 11393DEST_PATH_IMAGE014
，将每一相无功功率求和得到三相电源总无功功率，由总负荷计算公式求得变压器容量S；
Figure 172433DEST_PATH_IMAGE016
用一次相电流乘以变压器变比的平方得到对应相电极的电流
Figure 869125DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 811673DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 718449DEST_PATH_IMAGE019
，用每一相电极电流
Figure 139066DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 205111DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 521823DEST_PATH_IMAGE019
乘以对应相的电极电压得到每一相电极的视在功率
Figure 791262DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 15570DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 811487DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 689314DEST_PATH_IMAGE023
用一次侧每一相的有功功率减去变压器每一相的空载损耗和铜损耗得到每一相电极的有功功率；
其计算公式为：
一次侧三相视在功率
Figure 101840DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 333102DEST_PATH_IMAGE025
,
Figure 514684DEST_PATH_IMAGE026
一次侧三相电源的功率因数
Figure 311214DEST_PATH_IMAGE027
一次侧三相无功功率
  
Figure 211037DEST_PATH_IMAGE028
,
Figure 245989DEST_PATH_IMAGE029
,
Figure 875554DEST_PATH_IMAGE030
变压器总负荷
Figure 970549DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 357668DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 806098DEST_PATH_IMAGE033
    
三相电极的视在功率
Figure 24589DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 821644DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 899322DEST_PATH_IMAGE036
      
Figure 417022DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 427703DEST_PATH_IMAGE038
，                (1)
三相电极的有功功率
Figure 960633DEST_PATH_IMAGE040
，，
三相电极的功率因数
Figure 738599DEST_PATH_IMAGE043
式中，UΦA1、UΦB1、UΦC1分别表示三相电炉变压器一次侧各相电流，IΦA1、IΦB1、IΦC1分别表示三相电炉变压器一次侧各相电流，SΦA1、SΦB1、SΦC1表示三相电炉变压器每一相的容量，PΦA1、PΦB1、PΦC1表示电炉变压器每一相的有功功率， cosφA1、cosφB1、 cosφC1表示电炉变压器每一相的功率因数，QΦA1、QΦB1、QΦC1表示三相电炉变压器每一相的无功功率，QΦ1、PΦ1 、S分别表示三相电炉变压器一次侧的总有功功率、总无功功率和总容量， SA2、SB2 、SC2分别表示A相电极、B相电极和C相电极的视在功率，UA2、UB2、UC2分别表示熔池有效电压；IA2、IB2、IC2分别表示二次侧各相电流，由式（1）计算得到，式中K表示电炉变压器在某一电压级数下的变比；SA2、SB2、SC2分别表示三相电极的熔池功率，Pa,Pb,Pc为三相电极的有功功率，P0为变压器空载损耗，
Figure 666235DEST_PATH_IMAGE044
为变压器的短路阻抗，
Figure 915950DEST_PATH_IMAGE045
为变压器的铜损耗，cosφa2、cosφb2、 cosφc2表示每一相电极的功率因数。
本发明通过构建电源中心点电路引出三相电炉供电变压器的电源中心点，通过构建熔池中心点电路引出三相电极负载的熔池中心点，实现了三相变压器一次侧相电压、相电流、相有功功率以及每一相熔池电压、电极有效熔炼功率的有效测量，便于操作人员及时了解入炉总功率在每一相电极中的分配情况。同时，本发明将计算机控制技术应用到矿热炉冶炼过程炉膛有效功率的自动平衡控制，提高了操作的实时性，稳定了炉况，降低了电耗。
附图说明
图1为矿热炉电极功率测量系统结构示意图；
图2为三相变压器电源中心点电路的结构示意图；
图3为矿热炉三相熔池中心点电路的结构示意图。
具体实施方式
以某铁合金厂容量为12.5MVA的硅锰合金冶炼矿热炉功率测量为例，如附图1所示，为实现矿热炉三相电极功率的测量，首先用电压互感器2的一次线圈并接在三相电炉变压器4高压侧对应的输入端子上，将高压侧10KV的电网电压变换成0~100V的电压，电压互感器2的输出端与电源中心点电路3对应的输入端相连，电源中心点电路3的输出端与一次电压变送器10的输入相连，以采集一次侧相电压，一次电压变送器10的输出端与可编程控制器PLC 12的模拟量输入端相连，电流互感器1的一次线圈串接在三相电炉变压器4高压侧对应的输入端子上，将高压侧1000A的电流变换成0~5A的电流，电流互感器1的电流输出端与一次电流变送器8的输入端相连，以采集一次相电流，一次电流变送器8的输出端与可编程控制器PLC 12的模拟量输入端相连，一次有功功率变送器9的电流输入端与电流互感器1对应的电流输出端相连，电压输入端与电源中心点电路3对应的输出端相连，以采集电炉变压器4每一相的有功功率，一次有功功率变送器9的输出端与模拟量输入模块12的输入端相连，熔池中心点电路7获得矿热炉的熔池中心点，熔池中心点电路7的输出端与熔池电压变送器11对应的输入端相连，熔池电压变送器11与可编程控制器PLC 12的模拟量输入端相连，可编程控制器PLC 12将各变送器采集电压、电流和功率数据通过工业以太网（或MPI）传给工控机13。工控机13对所采集信号进行运算处理，并根据三相熔池功率模型按预先设定的算法按以下步骤计算矿热炉每一相电极的有功功率：
Figure 370065DEST_PATH_IMAGE002
用一次相电压乘以一次相电流计算出一次侧三相供电电源的视在功率
Figure 273299DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 344024DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 866272DEST_PATH_IMAGE005
；
用每一相的有功功率除以对应相的视在功率得到一次测三相电源每一相的功率因数
Figure 527990DEST_PATH_IMAGE007
及对应的功率因数角
Figure 289272DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 739845DEST_PATH_IMAGE009
用一次侧每一相电源的视在功率乘以对应相功率因数角的正弦函数值得到一次侧每一相的无功功率
Figure 434132DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 554535DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 599851DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 339268DEST_PATH_IMAGE013
将每一相有功功率求和得到三相电源总有功功率
Figure 356903DEST_PATH_IMAGE014
，将每一相无功功率求和得到三相电源总无功功率
Figure 444944DEST_PATH_IMAGE015
，由总负荷计算公式求得变压器容量S；
用一次相电流乘以变压器变比的平方得到对应相电极的电流
Figure 707615DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 376494DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 979645DEST_PATH_IMAGE019
，用每一相电极电流
Figure 937237DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 939828DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 56688DEST_PATH_IMAGE019
乘以对应相的电极电压得到每一相电极的视在功率
Figure 689795DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 275628DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 816331DEST_PATH_IMAGE022
；
用一次侧每一相的有功功率减去变压器每一相的空载损耗和铜损耗得到每一相电极的有功功率；
其计算公式为：
一次侧三相视在功率
，
Figure 789469DEST_PATH_IMAGE025
,
Figure 486860DEST_PATH_IMAGE026
一次侧三相电源的功率因数
Figure 453679DEST_PATH_IMAGE027
一次侧三相无功功率
  
Figure 959746DEST_PATH_IMAGE028
,
Figure 769439DEST_PATH_IMAGE029
,
Figure 120786DEST_PATH_IMAGE030
变压器总负荷
Figure 473270DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 494447DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 932381DEST_PATH_IMAGE033
    
三相电极的视在功率
Figure 87419DEST_PATH_IMAGE034
，，
Figure 1335DEST_PATH_IMAGE036
      
Figure 395407DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 963923DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 759840DEST_PATH_IMAGE039
                  (2)
三相电极的有功功率
Figure 44191DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 784614DEST_PATH_IMAGE041
，
三相电极的功率因数
式中，UΦA1、UΦB1、UΦC1分别表示三相电炉变压器一次侧各相电流，IΦA1、IΦB1、IΦC1分别表示三相电炉变压器一次侧各相电流，SΦA1、SΦB1、SΦC1表示三相电炉变压器每一相的容量，PΦA1、PΦB1、PΦC1表示电炉变压器每一相的有功功率， cosφA1、cosφB1、 cosφC1表示电炉变压器每一相的功率因数，QΦA1、QΦB1、QΦC1表示三相电炉变压器每一相的无功功率，QΦ1、PΦ1 、S分别表示三相电炉变压器一次侧的总有功功率、总无功功率和总容量， SA2、SB2 、SC2分别表示A相电极、B相电极和C相电极的视在功率，UA2、UB2、UC2分别表示熔池有效电压；IA2、IB2、IC2分别表示二次侧各相电流，由式（2）计算得到，式中K表示电炉变压器在某一电压级数下的变比；SA2、SB2、SC2分别表示三相电极的熔池功率，Pa,Pb,Pc为三相电极的有功功率，P0为变压器空载损耗，
Figure 918289DEST_PATH_IMAGE044
为变压器的短路阻抗，为变压器的铜损耗，cosφa2、cosφb2、 cosφc2表示每一相电极的功率因数。
附图2为本发明电源中心点电路的结构示意图，电源中心点电路3由三个阻值为1兆欧姆、额定功率为1/4W的高精密金属模电阻R1、R2、R3接成对称星型，对称星形电阻的公共连接点N为构造的电源变压器中心点，电源中心点电路3对应的输出端为电压互感器2的输出端L1、L2、L3及电炉变压器4中心点N。 
附图3为本发明熔池中心点电路的结构示意图，熔池中心点电路7是在矿热炉炉底三相电极的几何中心上插入耐高温、耐腐蚀、导电性强的钼电极15引出熔池中心点N′，钼电极15采用直径为1.6mm的钼丝经氩弧焊用铜线从炉底引出。铜瓦16与三相电极A、B、C的连接点a、b、c以及熔池中心点N′为熔池中心点电路的输出端。

Claims (2)

1.一种矿热炉三相电极功率测量方法，其特征在于：硬件电路由电流互感器（1）、电压互感器（2）、电源中心点电路(3)、一次电压变送器(10)、一次电流变送器(8)、一次有功功率变送器(9)、熔池中心点电路(7)、熔池电压变送器(11)、可编程控制器PLC（12）以及工控机（13）组成，电压互感器（2）的一次线圈并接在三相电炉变压器（4）高压侧对应的输入端子上，电压互感器(2)的二次线圈与电源中心点电路（3）的对应端子相连，以获得三相电炉变压器（4）的中心点，一次电压变送器（10）与电源中心电路（3）对应的输出端相连，以采集一次侧的相电压,一次电压变送器（10）的输出端与可编程控制器PLC（12）的模拟量输入端相连，电流互感器（1）的一次线圈串接在三相电炉变压器（4）高压侧对应的输入端子上，电流互感器（1）的电流输出端与一次电流变送器（8）的输入端相连，以采集一次侧的相电流,一次电流变送器（8）的输出端与可编程控制器PLC（12）的模拟量输入端相连,一次有功功率变送器（9）的电流输入端与电流互感器（1）对应的电流输出端相连，一次有功功率变送器（9）的电压输入端与电源中心点电路（3）对应的输出端相连，一次有功功率变送器（9）的输出端与可编程控制器PLC（12）的模拟量输入的输入端相连，熔池中心点电路（7）以获得矿热炉熔池的中心点，熔池电压变送器（11）的输入端与熔池中心点电路（7）的对应输出端相连，熔池电压变送器（11）的输出端与可编程控制器PLC（12）的模拟量输入端相连；三相电极功率模型（14）根据所采集的一次相电压、一次相电流、一次相有功功率以及熔池电压值按以下步骤计算：
①用一次相电压乘以一次相电流计算出一次侧三相电源的视在功率SφA1，SφB1，SφC1；
②用每一相的有功功率除以对应相的视在功率得到一次测三相电源每一相的功率因数
Figure FDA00003471187800021
及对应的功率因数角
Figure FDA00003471187800022
③用每一相电源的视在功率乘以对应相功率因数角的正弦函数值得到一次侧每一相的无功功率QφA1，QφB1，QφC1；
④将每一相有功功率求和得到三相电源总有功功率Pφ1，将每一相无功功率求和得到三相电源总无功功率Qφ1，由总负荷计算公式求得变压器容量S；
⑤用一次相电流乘以变压器变比的平方得到与对应相相连的电极电流IA2，IB2，IC2，用电极电流IA2，IB2，IC2乘以对应的电极电压得到每一相电极的视在功率SA2，SB2，SC2；
⑥用一次侧每一相的有功功率减去变压器的每一相的空载损耗和铜损耗得到每一相电极的有功功率Pa、Pb、Pc；
所述的电源中心点电路（3）由三个阻值为1M欧、额定功率为1/4W的高精密金属模电阻R1，R2，R3接成对称星型，对称星形电阻负载的公共连接点为电炉变压器的中心点N,电源中心点电路（3）对应的输出端子为电压互感器（2）的输出端L1、L2、L3及电炉变压器的中心点N；
所述的熔池中心点电路（7）是在矿热炉炉底三相电极的几何中心上插入耐高温、耐腐蚀、导电性强的钼电极引出熔池中心点N′，铜瓦与三相电极A、B、C的连接点a、b、c和熔池中心点N′为熔池中心点电路的输出端。
2.根据权利1所述的矿热炉三相电极功率测量方法，其特征在于：变送器采集电压、电流和功率信号，并将其转换为4-20mA的标准信号后经可编程序控制器PLC（12）通过工业以太网或MPI传给工控机（13）。
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