CN105716416B - 一种变频式电弧炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频式电弧炉，包括：自焙电极、电机、变频器、电源和主控装置；自焙电极设置在炉壳内，电机控制自焙电极提升和下降；变频器的电源输入端与电源连接，变频器的电源输出端与电机连接；主控装置与变频器电连接，变频器根据主控装置发送的变频控制指令输出变频处理后的交流电。本发明的变频式电弧炉，采用电机变频技术控制电极，使电极提升、停止、下降操作平稳，产品质量提高，耗电量下降，并能够缩短高钛渣冶炼时间,降低了单位产品耗电量,进而降低了生产成本,提高了产品质量和企业综合竞争力。

Description

一种变频式电弧炉

技术领域

本发明涉及工业电炉技术领域，尤其涉及一种变频式电弧炉。

背景技术

钛作为稀有金属，已成为国民经济发展中不可缺少的重要原材料和新型结构材料。钛是地壳中分布最广和丰度高的元素之一，占地壳重量的0.61％列居第9位；而钛资源则仅次于铁、铝、镁而列居第4位，是制取钛渣、人造金红石、钛白、海绵钛、钛金属、钛材、焊条涂料的重要原料。金属钛呈银白色，具有熔点高、比重轻、机械强度高、耐磨蚀、线钛塑性良好、不易氧化、还原性强等特点；钛的氧化物——二氧化钛(钛白)，具有无毒、良好的物理化学稳定性、折射指数高，以及很强的白度、着色力、遮盖力、耐性、抗粉化等特征，被称为“颜料之王”。因此，钛及其氧化物、合金产品是重要的涂料、新型结构材料、防腐材料，被誉为“继铁、铝之后处于发展中第三金属”和“战略金属”，被广泛的应用于航空、航天、舰船、军工、冶金、化工、机械、电力、海水淡化、交通运输、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济效益和会效益，在国民经济发展中具有重要的地位和作用。

但在高钛渣的冶炼加工过程中用电量较大,每吨用电高达3300度,占产品总成本的35％,由此而带来的是产品的成本大、价格高。因此降低高钛渣的冶炼加工过程中的用电量是我国钛工业发展的重要课题。在高钛渣冶炼过程中,炉料是一次性加入,炉上部的物料被烧结成一个壳体,当这些还原不足的烧结物料落入高温熔池时,渣体膨胀,渣熔体产生沸腾,因而产生翻渣、电极快速提升一系列问题。电极由电机通过正反转控制电极提升和下降，每分钟快速提升、下降达20-30次。电机的实际电流是正常工作电流的六倍,耗电量巨大。同时,人工摔制电极稳定性差,所以在生产过程中跳闸断电现象经常发生,造成高钛渣冶炼过程中冶炼时间长,用电量大。而且由于人工控制电极稳定性差，所以钛渣炉在生产高钛渣的过程中跳闸断电现象经常发生，这也是造成高钛渣冶炼过程中冶炼时间长，用电量大的主要原因。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种变频式电弧炉，采用电机变频技术控制电极的运行。

一种变频式电弧炉，包括：自焙电极、电机、变频器、电源和主控装置；所述自焙电极设置在炉壳内，所述电机控制所述自焙电极提升和下降；所述变频器的电源输入端与所述电源连接，所述变频器的电源输出端与所述电机连接；所述主控装置与所述变频器电连接，所述变频器根据所述主控装置发送的变频控制指令输出变频处理后的交流电。

根据本发明的一个实施例，进一步的，还包括上位机；所述上位机与所述主控装置电连接，所述上位机将控制指令发送到所述主控装置，所述主控装置实时地将电弧炉的工作状态信息发送给所述上位机；其中，所述工作状态信息包括：所述自焙电极产生的弧流和弧压、所述自焙电极的位置、炉内的压力。

根据本发明的一个实施例，进一步的，还包括：报警装置；所述报警装置与所述上位机连接；当所述上位机判断电弧炉的工作状态信息出现异常时，则向所述报警装置发送报警信号。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述变频器包括多个功率单元；所述的功率单元包括整流电路，与所述整流电路的输出端连接的滤波电容，与所述滤波电容连接的逆变电桥，以及控制所述功率单元工作的控制电路。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述控制电路与所述主控制装置的连接方式包括：光纤、CAN总线。

根据本发明的一个实施例，进一步的，还包括：风冷系统；所述风冷系统包括：散热器、风机、备用风机和用于检测所述散热器温度的温度传感器；所述风机、备用风机与所述变频器的电源输出端连接；其中，在所述温度传感器检测的温度超过一个预定的阈值的状态下，启动所述备用风机。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述自焙电极的个数为3个，并呈等腰三角形垂直于炉底设置。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述电机与所述自焙电极一一对应设置，所述变频器与所述电极也为一一对应设置。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述电机通过传动装置带动所述自焙电极升降；所述传动装置包括：齿轮齿条传动装置、齿轮传动装置。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述电源为频率为50HZ的三相交流电源；所述主控装置控制所述变频器输出的三相交流电的频率为0.01-5HZ。

本发明的变频式电弧炉，采用电机变频技术控制电极运行,使电极提升、停止、下降等操作平稳，并能节省电力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明的变频式电弧炉的一个实施例的结构示意图；

图2为电压叠加形成高压输出的原理图；

图3为变频式电弧炉的一个实施例的变频器的系统控制原理图；

图4为变频器的功率单元输出的PWM波形图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种变频式电弧炉，包括：自焙电极1、电机2、变频器3、电源和主控装置7。自焙电极3设置在炉壳6内，电机2控制自焙电极1提升和下降。变频器3的电源输入端与电源连接，变频器3的电源输出端与电机2连接。

主控装置7与变频器3电连接，变频器3根据主控装置7发送的变频控制指令输出变频处理后的交流电。电源可以是多种，例如为高压工业电5输出的3相高压电，通过变压器4进行调压后输送到变频器3。

上位机8与主控装置7电连接，上位机8将控制指令发送到主控装置7，主控装置7实时地将电弧炉的工作状态信息发送给上位机8；工作状态信息包括：自焙电极产生的弧流和弧压、自焙电极的位置、炉内的压力等等。

还可以设置报警装置，与上位机8连接，当上位机8判断电弧炉的工作状态信息出现异常时，则向报警装置发送报警信号，由报警器发出声、光等警报。

变频式电弧炉为密闭式电炉，并为密闭式矩形电炉。与圆形密闭电炉比较，矩形密闭电炉具有容量大、生产稳定、结构比较简单，制造、维修和更换都比较容易等优点。通过变频器以及电机控制自焙电极的上、下移动，具有满足生产需要、工艺稳定电耗小、资源利用率高、环保效果优等特点，能够降低生产用电能耗。

变频式电弧炉设置风冷系统，风冷系统包括：散热器、风机、备用风机和用于检测散热器温度的温度传感器。风机、备用风机与变频器的电源输出端连接。温度传感器、风机、备用风机都与主控装置7电连接。在温度传感器检测的温度超过一个预定的阈值的状态下，主控装置7启动备用风机。

在一个实施例中，自焙电极1的个数为3个，并呈等腰三角形垂直于炉底设置。电机2与自焙电极1一一对应设置，变频器3与电机2也为一一对应设置。电机2通过传动装置带动自焙电极1升降，传动装置包括：齿轮齿条传动装置、齿轮传动装置等等。输入变频器3的电源为频率为50HZ的三相交流电源，主控装置7控制变频器3输出的三相交流电的频率为0.01-5HZ。

上述实施例中的变频式电弧炉，采用变频器实现电机主回路的控制,通过操作上位机,可操作主控装置、永磁限位开关等现场操作指令,信息反馈,罗辑运算处理过程程序,作用于整个电极升、降系统。在电动机启动、运行、和停止过程中,主控装置按预设的曲线对电机进行自动控制,并保证加速时间、加速度、速度控制在设定范围内,使其平滑可靠地完成电极升、降运行过程。

为了产生可变的电压和频率,变频器3首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。再把直流电(DC)变换为交流电(AC)的装置，既可以改变电压,又可以改变频率。频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

为了防止电机烧毁事故的发生,变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压,例如:为了使电机的旋转速度减半,变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz,这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。

变频调速采用先进的功率单元串联叠波(又称功率单元多重化结构)方式、空间矢量控制的正弦波PWM调制方法，利用成熟的低压变频器技术和功率器件IGBT，从原理上保证了系统的可靠性，并使变频器的输入输出波形得到极大改善。电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术。对于6kV系统，每相6单元串联，每个功率单元输出交流有效值Vo为577V，相电压为3464V，线电压为6000V。如图2所示。

在一个实施例中，变频器可以包括：移相变压器、功率单元和控制器等。例如，移相变压器副边绕组分为三相，18个功率单元，每相由6个功率单元串联构成，每个单元的主回路相对独立，可等效为一台单相低压变频器。变频器可以包括多个功率单元。功率单元包括整流电路，与整流电路的输出端连接的滤波电容，与滤波电容连接的逆变电桥，以及控制功率单元工作的控制电路。

如图3所示，功率单元主要由三相桥式整流桥、滤波电容器、IGBT逆变桥构成，同时还包括由功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形，如图4所示。每个功率单元在结构及电气性能上完全一致，可以互换。

功率单元具有旁路功能。当某个单元发生熔断器故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路。每个功率单元电路为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，构成36脉冲整流方式，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，得到每个单元的输出。然后将每相6个单元的输出串联成星形接法，通过对每个单元的PWM波形进行重组，得到阶梯正弦PWM波形。

控制电路与主控制装置的连接方式包括：光纤、CAN总线等。功率单元和主控装置之间采用光纤通讯，实现强弱电间的完全电气隔离，提高了整个系统的抗干扰能力。

电机2实现了软启动、软停运，变频器3提供给电机2的无谐波干扰的正弦波电流，峰值电流和峰值时间大为减少，可消除对电网和负载的冲击，避免产生操作过电压而损伤电机绝缘，延长了电动机和风机、压缩机的使用寿命。同时，变频器设置共振点跳转频率，避免了风机、压缩机处于共振点运行的可能性，使风机、压缩机工作平稳，轴承磨损减少，启动平滑，消除了机械的冲击力，提高了设备的使用寿命。

变频器3的自身保护功能完善，同原来继电保护比较，保护功能更多，更灵敏，瞬间过流保护(超过200％额定电流峰值)10μs,动作有效过流保护(150％额定电流)3s动作，过载保护(120％额定电流)1min动作，大大加强了对电动机的保护。调速工段内的设备调节和优化控制由机组DCS完成，DCS负责采集模拟量、开关量等信号，变频器输出的模拟量、开关量信号全部进入DCS系统，形成闭环控制，同时实现相关辅机联锁功能等。

使用上述实施例中的变频式电弧炉后，预计每吨高钛渣可节约用电量350度，年节约用电量420万吨，折合标准煤516.18吨。

上述实施例中提供的变频式电弧炉，采用电机变频技术控制电极,电极提升、停止、下降操作平稳，产品质量提高,耗电量下降，节电效果明显，并能够缩短高钛渣冶炼时间，降低了单位产品耗电量,进而降低了生产成本,提高了产品质量和企业绊合竞争力。

可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种变频式电弧炉，其特征在于，包括：

自焙电极、电机、变频器、电源、主控装置和上位机；

变频式电弧炉为密闭式电炉；所述自焙电极设置在炉壳内，所述电机控制所述自焙电极提升和下降；其中，所述自焙电极的个数为3个，并呈等腰三角形垂直于炉底设置；所述电机与所述自焙电极一一对应设置，所述变频器与所述电极也为一一对应设置；

所述变频器的电源输入端与所述电源连接，所述变频器的电源输出端与所述电机连接；所述主控装置与所述变频器电连接，所述变频器根据所述主控装置发送的变频控制指令输出变频处理后的交流电；所述变频器包括：移相变压器、功率单元和控制器；所述移相变压器副边绕组分为三相，每相由所述功率单元串联构成；

所述上位机与所述主控装置电连接，所述上位机将控制指令发送到所述主控装置，所述主控装置实时地将电弧炉的工作状态信息发送给所述上位机；其中，所述工作状态信息包括：所述自焙电极产生的弧流和弧压、所述自焙电极的位置、炉内的压力。

2.如权利要求1所述的电弧炉，其特征在于：

还包括：报警装置；所述报警装置与所述上位机连接；

当所述上位机判断电弧炉的工作状态信息出现异常时，则向所述报警装置发送报警信号。

3.如权利要求1所述的电弧炉，其特征在于：

所述变频器包括多个功率单元；

所述的功率单元包括整流电路，与所述整流电路的输出端连接的滤波电容，与所述滤波电容连接的逆变电桥，以及控制所述功率单元工作的控制电路。

4.如权利要求3所述的电弧炉，其特征在于：

所述控制电路与所述主控制装置的连接方式包括：光纤、CAN总线。

5.如权利要求1所述的电弧炉，其特征在于：

还包括：风冷系统；

所述风冷系统包括：散热器、风机、备用风机和用于检测所述散热器温度的温度传感器；所述风机、备用风机与所述变频器的电源输出端连接；

其中，在所述温度传感器检测的温度超过一个预定的阈值的状态下，启动所述备用风机。

6.如权利要求1所述的电弧炉，其特征在于：

所述电机通过传动装置带动所述自焙电极升降；

所述传动装置包括：齿轮齿条传动装置、齿轮传动装置。

7.如权利要求1所述的电弧炉，其特征在于：

所述电源为频率为50HZ的三相交流电源；

所述主控装置控制所述变频器输出的三相交流电的频率为0.01-5HZ。