變頻式電弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器

4變頻式電極調(diào)節(jié)器的獨(dú)特執(zhí)行元件——空心轉(zhuǎn)子式異步電動(dòng)機(jī)

隨著電磁場(chǎng)理論的不斷發(fā)展和完善及新型鐵磁材料的開發(fā)，近年來(lái)，已開發(fā)出調(diào)速性能優(yōu)異的交流異步電動(dòng)機(jī)，其中具有代表性的當(dāng)推鐵磁體空心轉(zhuǎn)子式異步力矩變頻電機(jī)。從工作原理來(lái)看，空心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)所遵循的也是法拉第電磁感應(yīng)定律，與普通迭片式轉(zhuǎn)子異步電機(jī)沒(méi)有什么區(qū)別，不同之點(diǎn)只在于轉(zhuǎn)子繞組形態(tài)和轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。迭片式轉(zhuǎn)子采取電路和磁路分離的形式；而鐵磁體空心轉(zhuǎn)子采取電路和磁路合為一體，采用鐵鎳銅合金制成整體式空心轉(zhuǎn)子，它既導(dǎo)磁又導(dǎo)電，既是磁路又是電路。當(dāng)定子繞組通進(jìn)三相交流電之后，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)穿過(guò)轉(zhuǎn)子體中，并在其中感生二次電流，此電流與鼠籠式轉(zhuǎn)子中的電流不同，因?yàn)樵趫@筒狀空心轉(zhuǎn)子中，無(wú)固定的電流回路可資閉合，所以具有渦流性質(zhì)，如圖5所示。該渦流同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，構(gòu)成了空心轉(zhuǎn)子異步力矩電機(jī)的工作基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的這一改變，就使得該種電機(jī)非常適合于作為頻繁起、制動(dòng)的變頻式電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器的執(zhí)行元件。因?yàn)樗哂锌少F的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。眾所周知，在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，特別是在頻繁起、制動(dòng)的電弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，執(zhí)行元件本身的機(jī)械過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短起著非常重要的作用，因?yàn)閳?zhí)行環(huán)節(jié)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間通常占整個(gè)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的90％左右。而對(duì)控制電弧長(zhǎng)度的電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器的要求，主要是動(dòng)態(tài)指標(biāo)，即響應(yīng)時(shí)間要短，因?yàn)殡娀￠L(zhǎng)度在熔化期只有幾厘米，如果驅(qū)動(dòng)電極的電動(dòng)機(jī)的慣性太大，即起、制動(dòng)都很慢，則勢(shì)必造成經(jīng)常拉斷電弧的缺陷，這既延長(zhǎng)了熔化時(shí)間，又浪費(fèi)了大量電能。這是電爐煉鋼的致命要害。

為了使調(diào)節(jié)器連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，使電弧連續(xù)不斷地燃燒，必須選用過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短的執(zhí)行元件，鐵磁體空心轉(zhuǎn)子異步力矩電機(jī)恰好能滿足這一要求。因其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為薄壁長(zhǎng)套筒形空心結(jié)構(gòu)，如圖6所示。這種結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)是基于其轉(zhuǎn)子電流滲透深度淺的緣故。因?yàn)殡姶挪ㄔ阼F磁體介質(zhì)內(nèi)衰減非常快，一般有效滲透深度，即電磁波實(shí)際消失處的深度不超過(guò)1cm～2cm?？梢?jiàn)，轉(zhuǎn)子材料的集膚效應(yīng)相當(dāng)強(qiáng)烈，電磁場(chǎng)高度集中在靠近轉(zhuǎn)子表面薄薄一層的環(huán)形體中，因此，轉(zhuǎn)子中間部分實(shí)無(wú)存在的必要，這就給制造薄壁長(zhǎng)套筒形空心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)，給頻繁起、制動(dòng)的電弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器提供了有利的條件和高指標(biāo)的保證。相反，鼠籠形轉(zhuǎn)子在選擇轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)子直徑關(guān)系時(shí)，往往受最少槽數(shù)的限制，有它的局限性。

一種能使手機(jī)、電腦等智能電子信息產(chǎn)品更加小型集成化的新型片式化變壓器將在我國(guó)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。年產(chǎn)1000萬(wàn)片的片型多層式壓電陶瓷變壓器生產(chǎn)線日前在西安正式開發(fā)建設(shè)，這標(biāo)志著中國(guó)將成為繼日本之后能規(guī)模生產(chǎn)這種變壓器的國(guó)家。

由清華大學(xué)和陜西康鴻信息技術(shù)公司聯(lián)合開發(fā)的這種變壓器，屬于第三代智能化變壓器，其厚度僅1.5mm～2.5mm，體積僅是傳統(tǒng)變壓器的1/3，具有能量轉(zhuǎn)換率高、體積小、無(wú)電磁干擾等特點(diǎn)。

圖6薄壁長(zhǎng)套筒形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

鐵磁體空心轉(zhuǎn)子異步力矩電機(jī)除了具有上述獨(dú)特的電氣特性外，在機(jī)械方面還具有機(jī)械強(qiáng)度高（整體結(jié)構(gòu)）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（無(wú)碳刷、無(wú)換向器、無(wú)滑環(huán)）、維修容易，可靠性高。另外由于空心轉(zhuǎn)子本身光滑無(wú)齒槽，在機(jī)械和電磁方面均具有非常好的平衡性，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不因定子與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置而異，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，無(wú)振動(dòng)，噪音低。

5變頻式電極調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程

51點(diǎn)弧

因?yàn)樽冾l器不允許通過(guò)主回路直接啟動(dòng)運(yùn)行，所以先啟動(dòng)變頻器，后合高壓真空開關(guān)，使電極下降。當(dāng)首根電極觸及爐料時(shí)，弧壓信號(hào)為零，此時(shí)弧流也為零，首根電極停止下降；當(dāng)?shù)诙虻谌姌O觸及爐料后，迅速產(chǎn)生工作短路電流，相應(yīng)相電極升起，當(dāng)電極電流都到了設(shè)定電流時(shí)，電極停止升降，電弧穩(wěn)定燃燒。

52小偏差信號(hào)時(shí)的調(diào)節(jié)過(guò)程

當(dāng)弧流偏離設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)偏差信號(hào)的極性與幅值大小確定電極升降方向和速度，此時(shí)根據(jù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律工作，當(dāng)弧流大于設(shè)定值時(shí)，電極緩慢上升；當(dāng)弧流小于設(shè)定值時(shí)，電極緩慢下降，系統(tǒng)的非作用區(qū)可調(diào)整，通常在100％Ie之內(nèi)。

53大偏差信號(hào)時(shí)的調(diào)節(jié)過(guò)程

當(dāng)弧流偏離設(shè)定值過(guò)大時(shí)（比如大于18Ie時(shí)），如發(fā)生塌料或電極短路時(shí)，電極快速上升，此時(shí)調(diào)節(jié)器工作在快速上升區(qū)域；而當(dāng)某相斷弧時(shí)，電極快速下降，此時(shí)調(diào)節(jié)器工作在快速下降區(qū)域。

54手動(dòng)控制升降電極

在運(yùn)行中，當(dāng)需要人工干予時(shí)，可操作手動(dòng)升降開關(guān)，使三相電極同時(shí)提升或下降，或某相電極上升或下降。

55弧流設(shè)定值面板設(shè)定

在運(yùn)行中，可在線修改電流設(shè)定值，升降速度參數(shù)，以及非作用區(qū)參數(shù)等。

6結(jié)語(yǔ)

在電弧爐電極自動(dòng)調(diào)節(jié)器中引入了高性能變頻器及空心轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)后，其調(diào)節(jié)性能明顯改善，主要表現(xiàn)在：

——低速特性得到改善，即使在極低頻率下，也能以15倍額定轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)電機(jī)；

——高速有了保證，在電極發(fā)生工作短路時(shí)，能以極快速提升電極；

——調(diào)節(jié)器的控制精度得到提高，可達(dá)±02％；

——由于引進(jìn)了空心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)及變頻器實(shí)行再生制動(dòng)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間小于0.15s；

——VVVF調(diào)速特性是使異步電機(jī)一直工作在自然機(jī)械特性上，故在調(diào)速過(guò)程中，沒(méi)有轉(zhuǎn)差損耗，所以傳動(dòng)效率高、調(diào)速范圍寬和調(diào)速精度高。

我們采用的富士變頻器、臺(tái)安變頻器及華為變頻器配西安華興電爐有限公司研制的該種調(diào)節(jié)器，都取得了良好應(yīng)用效果。