CN201656493U - 矿热炉高低压联合无功补偿控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及矿热炉控制系统，矿热炉高低压联合无功补偿控制装置，其特征是：包括从矿热炉变压器一次高压侧和二次低压侧进行数据采集的一次侧电压互感器、一次侧电流互感器、二次侧电压互感器、二次侧电流互感器，一次侧电压互感器、一次侧电流互感器分别连接P1电力变送器的输入口，二次侧电压互感器、二次侧电流互感器分别连接P2电力变送器的输入口，P1电力变送器和P2电力变送器通过接口与主控计算机电连接；一可编程控制器PLC同时电连接补偿装置C1、C2、报警装置AL1、AL2和温度变送器T，一可编程控制器PLC通过接口与主控计算机电连接。它提高了功率因数、加大了矿热炉变压器有效输出率、降低了损耗。

Description

矿热炉高低压联合无功补偿控制装置

技术领域

本实用新型涉及矿热炉控制系统，矿热炉高低压联合无功补偿控制装置。它能实现矿热炉高低压无功补偿装置的联合运行、三相不相等补偿容量的循环投切和矿热炉运行状态监测报警，特别适用于容量在16500kVA及以上矿热炉的无功补偿装置。

背景技术

矿热炉的电气系统主要由高压供电网络、电炉变压器、补偿器、短网、水冷系统、电极系统、炉膛和控制系统组成，其负载特征介于阻性和感性之间，低电压大电流的短网和水冷系统的结构以及工作特点，决定矿热炉的自然功率因数很难达到0.85以上，这样就需要对供电线路进行无功补偿，以将功率因数提高到国家规定的0.90 或以上，以达到平衡电网无功的目的。

目前供电部门和铁合金企业多选择高压补偿，该补偿方式是把电容器并联到高压一次侧的三相母线上，单一高压补偿的优点是设备简单、投资少。缺点是由于补偿作用只能使接入点之前的线路，供电系统电网一侧受益，满足供电系统对该负荷线路功率因数方面的要求，对冶炼企业来讲，从包括矿热炉变压器绕组、短网、水冷电缆、炉内导电铜管直至铜瓦、电极的全部二次侧低电压大电流回路的无功功率得不到补偿，不能增加变压器的输出功率，更不能使矿热炉冶炼产品产量的提高和电耗、矿耗降低，使企业的投资不能产生实质的经济效益；另外目前的高压补偿多采用固定式补偿方式，补偿装置不能适应炉子生产过程中负荷变化，会出现过补偿或欠补偿现象。

针对矿热炉变压器低压短网侧的大量无功消耗和不平衡性，兼顾有效提高功率因数而实施低压无功补偿。其优点是低压补偿将补偿点前移至短网，缩短了无功电流路径，就地补偿短网的大量无功消耗，在有效提高功率因数的同时，降低了变压器和短网的损耗，提高了变压器的出力，增加冶炼有效输入功率，改善了三相电极的强、弱相状况。但随着矿热炉容量越来越大，30000kVA以上的矿热炉越来越多，如果只用单一的低压补偿，必然会使二次电压提高过大，电极电流减小、电弧拉长，电极上抬，造成电极难以下插；另外入炉有效输入功率增大后，使熔化还原区宽度增大，靠近炉壁，热损失增加，炉况恶化，高温侵蚀损坏炉衬，使炉膛寿命下降。  

发明内容

本实用新型的目的就是设计出一种能够在复杂环境中完成指定任务并保证系统综合性能最优的矿热炉高低压联合无功补偿控制装置，以达到提高功率因数、加大矿热炉变压器有效输出率、降低损耗、减小三相不平衡度、增加产量、提高自动化程度和增强人机交互功能的矿热炉高低压联合无功补偿控制装置及控制方法。

为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是：矿热炉高低压联合无功补偿控制装置，其特征是：包括从矿热炉变压器一次高压侧和二次低压侧进行数据采集的一次侧电压互感器TV1、一次侧电流互感器TA1、二次侧电压互感器TV2、二次侧电流互感器TA2，一次侧电压互感器TV1、一次侧电流互感器TA1分别连接P1电力变送器的输入口，二次侧电压互感器TV2、二次侧电流互感器TA2分别连接P2电力变送器的输入口，P1电力变送器和P2电力变送器通过接口与主控计算机电连接，向主控计算机提供矿热炉变压器一次高压侧和二次低压侧电流、电压数据；一可编程控制器PLC同时电连接补偿装置C1和补偿装置C2、报警装置AL1和报警装置AL2和温度变送器T，一可编程控制器PLC同时通过接口与主控计算机电连接。

所述的接口是RS232或RS-422或RS-485。

所述的补偿装置C1是高压补偿电容，补偿装置C2是低压补偿电容。

所述的报警装置AL1是高压报警器，报警装置AL2是低压报警器。

本实用新型的特点与效果有：

1．采用两块智能电力变送器P1和P2分别实时采集矿热炉变压器一次侧和二次短网的电气参数，使信息全面、参数完整，为主控计算机PC实施精确控制提供了硬件保证。

2．主控计算机PC功能强大，负责完成数据处理和存储、算法实施、控制输出等任务，采用高级编程语言实现多线程任务处理，为各个模块系统的并行、协调工作提供了软件保证。

3．采用RS485总线连接各个控制模块，保证了整个控制系统工作时的数据和信息共享，也为添加新的控制模块提供了方便途径。

4．控制系统用主控计算机PC做上位机，可编程控制器PLC做下位机，上位机PC发出命令给下位机PLC，使PLC进行分散控制，通过上位机对PLC的监控，可用方便的实现工厂生产过程的自动化监控。

5．显示器D提供图形交互界面，输入设备KM提供了操作人员H与控制系统的交互操作，同时将人纳入闭环控制系统，负责下达控制命令、监视矿热炉的工作状态和处理系统异常情况。

附图说明

参照附图对本实用新型矿热炉高低压联合无功补偿控制装置做进一步详细说明如下： 

图1是本实用新型的矿热炉高低压联合无功补偿系统框图；

图2为本实用新型的矿热炉高低压联合无功补偿系统主程序流程图；

图3为图2的高压部分投切子程序流程图；

图4为图2的低压部分投切子程序流程图。

具体实施方式

矿热炉高低压联合无功补偿控制装置如图1所示，包括从矿热炉变压器一次高压侧和二次低压侧进行数据采集的一次侧电压互感器TV1、一次侧电流互感器TA1、二次侧电压互感器TV2、二次侧电流互感器TA2，一次侧电压互感器TV1、一次侧电流互感器TA1分别连接P1电力变送器的输入口，二次侧电压互感器TV2、二次侧电流互感器TA2分别连接P2电力变送器的输入口，P1电力变送器和P2电力变送器通过接口与主控计算机电连接，向主控计算机提供矿热炉变压器一次高压侧和二次低压侧电流、电压数据；可编程控制器PLC同时电连接补偿装置C1和C2、报警装置AL1和AL2和温度变送器T，可编程控制器PLC同时通过接口与主控计算机电连接，主控计算机通过控制可编程控制器PLC完成对补偿装置的投切、报警信号的接收与发送以及温度保护信号的接收与执行。

控制系统除电源系统PS外，还包括主控计算机PC、显示器D、输入设备KM（键盘、鼠标）。

以下结合图1描述各部分的具体功能和连接方式：

1）主控计算机PC是保证控制系统性能的核心部分，负责实时检测、数值计算、信息处理、算法实现、过程控制等任务。同时，通过 RS232接口，控制两台智能电力变送器P1和P2的数据采集，通过可编程控制器PLC操纵控制补偿装置C1和C2，及实现报警装置AL1和AL2的信号发送和报警控制。 

2）显示器D与主控计算机PC相连，是操作人员H和控制系统的交互界面，负责参数设置、数据显示、补偿装置和电力变送器工作状态显示和投切容量指示等工作。 

3）输入设备KM与主控计算机PC相连，是操作人员H和控制系统的交互手段，负责参数输入、画面定位、系统操作和手动投切等工作。

4）电压互感器TV1和TV2，分别与电力变送器P1和P2相连，负责一次侧和二次侧电压信号的检测，并输出信号给电力变送器P1和P2。 

5）电流互感器TA1和TA2，分别与电力变送器P1和P2相连，负责一次侧和二次侧电流信号的检测，并输出信号给电力变送器P1和P2。

6）电力变送器P1和P2，负责电压互感器TV1和TV2、电流互感器TA1和TA2的数据采集、处理和存储，并将数据通过转换接口RS1和RS2发送给主控计算机PC。

7）转换接口RS1和RS2，分别负责电力变送器P1和P2和可编程控制器PLC与主控计算机PC的通讯，实现单端的RS-232信号到平衡差分的RS-422或RS-485信号的转换，提供2500V的隔离电压，有效的抑制浪涌、雷击和共地干扰，保证通讯的可靠稳定。

8）可编程控制器PLC连接分别连接补偿装置C1和C2、报警装置AL1和AL2和温度变送器T，负责控制补偿装置的投切、报警信号的接收与发送以及温度保护信号的接收与执行。

9）补偿装置C1和C2，与可编程控制器PLC连接，是控制系统控制的本体，负责补偿装置的投入与切除，以提高功率因数、调节三相不平衡度。补偿装置C1是高压补偿电容，C2是低压补偿电容。

10）报警装置AL1和AL2与可编程控制器PLC连接，负责系统故障时报警信号的发出。报警装置AL1是高压报警器，报警装置AL2是低压报警器。

11）温度变送器T与可编程控制器PLC连接，负责温度信号的采集、判断，并将温度保护信号提供给可编程控制器PLC。

12）RS232是连接转换接口RS1和RS2和与主控计算机PC的物理通道，保证了控制系统工作时的数据和信息共享。

假设补偿装置C1和C2在工作过程中执行投切操作任务。

首先，补偿系统和装置C1和C2按照自动方式下运行，主控计算机PC综合来自可编程控制器PLC的温度变送器T和报警装置AL1和AL2的报警信号以及电力变送器P1和P2的电气信号和信息，进行分析处理和初始化操作。

初始化操作后，根据待执行的任务，以及当前的投切状况，主控计算机PC进行控制算法的实施。

控制算法实施过程中，为保证系统的可靠、稳定和现场工艺匹配。本实用新型的主要特点之一是控制系统的软件设计实现了如图2所示的五项外部条件的判断，如果一次电压TV1、一次电流TA1、二次电压TV2、二次电流TA2、内部温度T有一项不正常，系统都会切除所有电容并发出相应的报警信号。

条件判断合格后，主控计算机PC按照投切控制算法，先进行高压无功补偿装置的投切，将控制量发给补偿装置C1，投切相应的电容量，使得矿热炉冶炼系统一次电压得到提升；然后计算出各相电极J所需补偿的电容量，然后通过可编程控制器PLC, 将控制量发给补偿装置C2，投切相应的电容量，使得矿热炉冶炼系统得到所需无功功率的补偿。在投切过程中，电力变送器P1和P2和可编程控制器PLC互相配合，实时地进行定位和参数的跟踪检测，主控计算机PC根据返回的数据和信息与设定参数进行比较，采用先进的投切控制算法保证跟踪精度，实时校正误差，保证补偿装置C1和C2按照设定的参数完成操作。如果矿热炉冶炼工艺或条件有所变化，操作人员H将根据实际情况，重新设定控制变量和参数进行初始化操作。整个过程反复进行，直到补偿系统完成最终的投切操作任务。如果出现死锁等异常情况，操作人员H可以通过输入设备KM向主控计算机PC下达停止命令。

本实用新型的矿热炉高低压联合无功补偿控制装置的具体控制方法还可通过下面的步骤说明。

如图2所示，所述的主控计算机至少包括如下步骤：

S101步骤，用户运行主程序后，系统首先调用初始化子程序；

S102步骤，判断矿热炉变压器一次侧电压是否正常；

S103步骤，正常，则判断矿热炉变压器一次侧电流是否正常；否则转步骤S106；

步骤S104，正常，则判断矿热炉变压器二次侧电压是否正常；否则转步骤S106；

步骤S105，正常，则判断矿热炉变压器二次侧短网和电容器温度是否正常，否则转步骤S106；

步骤S108，判断是否自动运行；否则转步骤S106；

步骤S109，自动运行，调用高压投切子程序；

步骤S110，调用低压投切子程序；

结束。

步骤S106，切除电容并报警；

步骤S107，报警是否复位或是否恢复正常；是转步骤S108，否转S102步骤；

如图3所示，主控计算机通过控制可编程控制器PLC完成对补偿装置的高压投切子程序步骤包括：

步骤S201，进入投切子程序后，判断是否急停，否，转步骤S202；急停，转步骤结束；

步骤S202，否，判断一次电压是否低，否转步骤S206，是转步骤S203；

步骤S203，判断一次电压低的这一相是否投满，是，转步骤结束；否则，转步骤S204；

步骤S204，判断投入延时是否已到，否，转步骤结束；是，转步骤S205；

步骤S205，以次投入高压电容器，转步骤S203；

步骤S206，判断一次电压是否高，高，转步骤S207，不高，转步骤结束；

步骤S207，判断一次电压高的这一相是否已切除完毕，是，转步骤结束，不是，转步骤S208；

步骤S208，判断切除延时是否已到，是，转步骤S209，否，转步骤结束；

步骤S209，以次切除高压电容器；转步骤S207；

步骤结束。

如图3所示，主控计算机通过控制可编程控制器PLC完成对补偿装置的低压投切子程序步骤包括：

步骤S301，进入低压投切子程序后，首先判断是否急停，是，转低压投切子程序结束，否，转步骤S302；

步骤S302，判断功率因数是否低，低，转步骤S303，否，转步骤S306；

步骤S303，判断功率因数低的这一相是否投满，是，转低压投切子程序结束，不是，转步骤S304；

步骤S304，判断投入延时是否到，不到，转低压投切子程序结束，到，转步骤S305； 

步骤S305，以次投入低压电容器，转步骤S303；

步骤S306，判断功率因数是否高，是，转步骤S307，不是，转步骤S310；

步骤S307，判断功率因数高的这一相是否已切除完毕，是，转低压投切子程序结束，不是，转步骤S308；

步骤S308，判断切除延时是否已到，不是，转低压投切子程序结束，是，转步骤S309；

步骤S309，以次切除低压电容器，转步骤S307；

步骤S310，判断有功功率是否平衡，是，转低压投切子程序结束，不是，转步骤S311；

步骤S311，判断有功功率最小的一相是否已投满，是，转低压投切子程序结束，不是，转步骤S312；

步骤S312，判断投入延时是否已到，否，转低压投切子程序结束，是，转步骤S313；

步骤S313，以次切除低压电容器，转步骤S310；

低压投切子程序结束。

Claims (4)

1.矿热炉高低压联合无功补偿控制装置，其特征是：包括从矿热炉变压器一次高压侧和二次低压侧进行数据采集的一次侧电压互感器TV1、一次侧电流互感器TA1、二次侧电压互感器TV2、二次侧电流互感器TA2，一次侧电压互感器TV1、一次侧电流互感器TA1分别连接P1电力变送器的输入口，二次侧电压互感器TV2、二次侧电流互感器TA2分别连接P2电力变送器的输入口，P1电力变送器和P2电力变送器通过接口与主控计算机电连接，向主控计算机提供矿热炉变压器一次高压侧和二次低压侧电流、电压数据；一可编程控制器PLC同时电连接补偿装置C1、补偿装置C2、报警装置AL1、报警装置AL2和温度变送器T，一可编程控制器PLC同时通过接口与主控计算机电连接。

2.根据权利要求1所述的矿热炉高低压联合无功补偿控制装置，其特征是：所述的接口是RS232或RS-422或RS-485。

3.根据权利要求1所述的矿热炉高低压联合无功补偿控制装置，其特征是：所述的补偿装置C1是高压补偿电容，补偿装置C2是低压补偿电容。

4.根据权利要求1所述的矿热炉高低压联合无功补偿控制装置，其特征是：所述的报警装置AL1是高压报警器，报警装置AL2是低压报警器。

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