变频式电弧炉电极自动调节器

4变频式电极调节器的独特执行元件——空心转子式异步电动机

随着电磁场理论的不断发展和完善及新型铁磁材料的开发，近年来，已开发出调速性能优异的交流异步电动机，其中具有代表性的当推铁磁体空心转子式异步力矩变频电机。从工作原理来看，空心转子异步电机所遵循的也是法拉第电磁感应定律，与普通迭片式转子异步电机没有什么区别，不同之点只在于转子绕组形态和转子磁路结构。迭片式转子采取电路和磁路分离的形式；而铁磁体空心转子采取电路和磁路合为一体，采用铁镍铜合金制成整体式空心转子，它既导磁又导电，既是磁路又是电路。当定子绕组通进三相交流电之后，产生的旋转磁场穿过转子体中，并在其中感生二次电流，此电流与鼠笼式转子中的电流不同，因为在园筒状空心转子中，无固定的电流回路可资闭合，所以具有涡流性质，如图5所示。该涡流同旋转磁场相互作用所产生的电磁转矩，构成了空心转子异步力矩电机的工作基础。转子结构的这一改变，就使得该种电机非常适合于作为频繁起、制动的变频式电极自动调节器的执行元件。因为它具有可贵的过渡过程时间短的优点。众所周知，在电气传动系统中，特别是在频繁起、制动的电弧炉电极自动调节系统中，执行元件本身的机械过渡过程时间长短起着非常重要的作用，因为执行环节的过渡过程时间通常占整个系统过渡过程时间的90％左右。而对控制电弧长度的电极自动调节器的要求，主要是动态指标，即响应时间要短，因为电弧长度在熔化期只有几厘米，如果驱动电极的电动机的惯性太大，即起、制动都很慢，则势必造成经常拉断电弧的缺陷，这既延长了熔化时间，又浪费了大量电能。这是电炉炼钢的致命要害。

为了使调节器连续稳定地运行，使电弧连续不断地燃烧，必须选用过渡过程时间短的执行元件，铁磁体空心转子异步力矩电机恰好能满足这一要求。因其转子结构为薄壁长套筒形空心结构，如图6所示。这种结构的理论依据是基于其转子电流渗透深度浅的缘故。因为电磁波在铁磁体介质内衰减非常快，一般有效渗透深度，即电磁波实际消失处的深度不超过1cm～2cm。可见，转子材料的集肤效应相当强烈，电磁场高度集中在靠近转子表面薄薄一层的环形体中，因此，转子中间部分实无存在的必要，这就给制造薄壁长套筒形空心转子结构提供了理论基础，给频繁起、制动的电弧炉电极自动调节器提供了有利的条件和高指标的保证。相反，鼠笼形转子在选择转子轴向长度和转子直径关系时，往往受最少槽数的限制，有它的局限性。

一种能使手机、电脑等智能电子信息产品更加小型集成化的新型片式化变压器将在我国实现规模化生产。年产1000万片的片型多层式压电陶瓷变压器生产线日前在西安正式开发建设，这标志着中国将成为继日本之后能规模生产这种变压器的国家。

由清华大学和陕西康鸿信息技术公司联合开发的这种变压器，属于第三代智能化变压器，其厚度仅1.5mm～2.5mm，体积仅是传统变压器的1/3，具有能量转换率高、体积小、无电磁干扰等特点。

图6薄壁长套筒形转子结构

铁磁体空心转子异步力矩电机除了具有上述独特的电气特性外，在机械方面还具有机械强度高（整体结构）、结构简单（无碳刷、无换向器、无滑环）、维修容易，可靠性高。另外由于空心转子本身光滑无齿槽，在机械和电磁方面均具有非常好的平衡性，起动转矩不因定子与转子的相对位置而异，起动转矩大，起动电流小，无振动，噪音低。

5变频式电极调节器的调节过程

51点弧

因为变频器不允许通过主回路直接启动运行，所以先启动变频器，后合高压真空开关，使电极下降。当首根电极触及炉料时，弧压信号为零，此时弧流也为零，首根电极停止下降；当第二根或第三根电极触及炉料后，迅速产生工作短路电流，相应相电极升起，当电极电流都到了设定电流时，电极停止升降，电弧稳定燃烧。

52小偏差信号时的调节过程

当弧流偏离设定值时，系统根据偏差信号的极性与幅值大小确定电极升降方向和速度，此时根据PID调节规律工作，当弧流大于设定值时，电极缓慢上升；当弧流小于设定值时，电极缓慢下降，系统的非作用区可调整，通常在100％Ie之内。

53大偏差信号时的调节过程

当弧流偏离设定值过大时（比如大于18Ie时），如发生塌料或电极短路时，电极快速上升，此时调节器工作在快速上升区域；而当某相断弧时，电极快速下降，此时调节器工作在快速下降区域。

54手动控制升降电极

在运行中，当需要人工干予时，可操作手动升降开关，使三相电极同时提升或下降，或某相电极上升或下降。

55弧流设定值面板设定

在运行中，可在线修改电流设定值，升降速度参数，以及非作用区参数等。

6结语

在电弧炉电极自动调节器中引入了高性能变频器及空心转子异步电动机后，其调节性能明显改善，主要表现在：

——低速特性得到改善，即使在极低频率下，也能以15倍额定转矩启动电机；

——高速有了保证，在电极发生工作短路时，能以极快速提升电极；

——调节器的控制精度得到提高，可达±02％；

——由于引进了空心转子异步电机及变频器实行再生制动，过渡过程时间小于0.15s；

——VVVF调速特性是使异步电机一直工作在自然机械特性上，故在调速过程中，没有转差损耗，所以传动效率高、调速范围宽和调速精度高。

我们采用的富士变频器、台安变频器及华为变频器配西安华兴电炉有限公司研制的该种调节器，都取得了良好应用效果。