穩(wěn)流控制系統(tǒng)介紹

1、.穩(wěn)流控制系統(tǒng)構(gòu)成及通訊培訓(xùn)大綱1、 穩(wěn)流系統(tǒng)組成2、 飽和電抗器工作原理3、 穩(wěn)流控制器組成及穩(wěn)流原理4、 穩(wěn)流控制系統(tǒng)程序及運(yùn)行方式穩(wěn)流控制系統(tǒng)構(gòu)成及通訊電能是電解鋁生產(chǎn)的重要能源，電解鋁生產(chǎn)采用的是直流電，電能成本約占電解鋁總成本的30%-40%。鋁電解生產(chǎn)供電有以下特點(diǎn)：低電壓、大電流的直流電；直流電能生產(chǎn)的連續(xù)性；直流電能供給的恒流性。目前國內(nèi)大型整流設(shè)備有兩種整流方式：整流變+可控硅整流，整流變（調(diào)壓開關(guān)）+自飽和電抗器+二極管整流。電流的控制方式一般采用恒流控制，恒定直流電流的調(diào)節(jié)方式一般為整流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)與自飽和電抗器相結(jié)合的方式，有載調(diào)壓為直流電壓的粗調(diào)，自飽和電抗器為

2、直流電壓的細(xì)調(diào)，自飽和電抗器是直流電流恒流控制的主要執(zhí)行元件，調(diào)節(jié)直流電壓的范圍約為5070V。綜上所述，穩(wěn)流系統(tǒng)=有載調(diào)壓開關(guān)+自飽和電抗器+穩(wěn)流控制系統(tǒng)一、飽和電抗器1飽和電抗器必須實(shí)現(xiàn)以下職能： 1 在有載調(diào)壓分接開關(guān)的直流級(jí)差電壓范圍內(nèi)起到細(xì)調(diào)作用； 2 減少有載調(diào)壓分接開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)，以延長其檢修周期和使用壽命，為此飽和電抗器的調(diào)壓范圍應(yīng)大于有載調(diào)壓開關(guān)的直流級(jí)差電壓（每調(diào)一檔電壓差在12-16V），通常不小于兩級(jí)差電壓，同時(shí)也不應(yīng)小于電解一個(gè)陽極效應(yīng)的電壓（40-50V直流電壓）； 3 校正電網(wǎng)電壓短時(shí)波動(dòng)所引起的電解直流電流波動(dòng)； 4 校正各整流機(jī)組之間或同一機(jī)組兩整流裝置之間的

3、負(fù)荷分配不均。2工作原理飽和電抗器是利用鐵磁物質(zhì)磁化曲線的非線性和飽和特性，以較小的直流功率來控制較大的交流負(fù)載的一種電器，即利用鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)這一特性而工作的。飽和電抗器屬于交直流同時(shí)磁化的非線性電抗器，與負(fù)載串聯(lián)，用來調(diào)節(jié)負(fù)載的電流和功率，可以把飽和電抗器看成一個(gè)可控制的阻抗，但它是非線性的，不能用近似線性的電抗器的概念來解釋飽和電抗器。飽和電抗器的基本工作原理是利用直流繞組電流的大小來改變交流電路的電抗。原理如圖1，它是一個(gè)具有交流繞組和直流繞組的鐵芯磁路。當(dāng)交流電壓Ua和交流回路電阻Ra不變時(shí)，交流電流Ia與交流線圈La有關(guān)：在不計(jì)漏磁和鐵芯損耗的情況下，線圈的電感量可用下式

4、表示：從上式可知，交流線圈的電感量在一定的磁路L和匝數(shù)N下與磁路鐵芯的磁導(dǎo)率成正比。改變磁導(dǎo)率就可以改變交流線圈的電感，從而改變電流和電抗器的容量。由于鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，在正常工作下磁導(dǎo)率隨鐵芯的飽和而減小，而鐵芯飽和程度的變化可以通過改變直流繞組的勵(lì)磁電流Id來實(shí)現(xiàn)。Id增大則鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，鐵芯接近飽和，磁導(dǎo)率減小，從而電感值減小，交流電流Ia隨之增大。由此可見，直流電流的大小可以控制交流輸出電流的大小，將直流繞組稱為控制繞組，交流繞組稱為工作繞組。3. 調(diào)節(jié)過程如圖2所示，利用飽和電抗器的輸出特性，將飽和電抗器的交流工作線圈串接在整流裝置的整流臂中，直流控制繞組接控制電源。

5、在不考慮整流變壓器漏抗的理想情況下，在t=0時(shí)刻以前，整流橋臂D1流過的電流為Id，電抗器BK1工作繞組中的電流為Id，此時(shí)電抗器BK1的鐵芯處于飽和狀態(tài)，其磁阻很小可以忽略不計(jì)；在t=0時(shí)，由于Ua=Ub,則電流Id應(yīng)瞬時(shí)由a相換到b相，但由于飽和電抗器BK3的阻礙作用，使的換相被推遲，其推遲的時(shí)間與飽和電抗器BK3的起始狀態(tài)有關(guān)；在t=0時(shí)刻以后，由于UbUa，在電壓差的作用下，飽和電抗器BK3工作繞組中的電流逐漸增加，激磁作用加大，在t=t1時(shí)刻BK3鐵芯飽和，磁阻很小，整流橋臂D3完全導(dǎo)通，負(fù)載電流Id幾乎全部流經(jīng)BK3的工作繞組，與此同時(shí)，電抗器BK1的鐵芯在反向電壓（Ua-Ub為負(fù)

6、）的作用下逐漸去磁，至t=t2時(shí)刻電抗器BK1的鐵芯恢復(fù)到起始狀態(tài)，整流橋臂D1封閉，電流為零，完成一個(gè)換相過程，如圖3所示。由此可見，由于飽和電抗器交直流的同時(shí)勵(lì)磁，使得三相整流橋的換相點(diǎn)由t=0時(shí)刻延遲到t=t1時(shí)刻，改變了整流橋的直流輸出電壓，達(dá)到了調(diào)節(jié)的目的，其對(duì)應(yīng)角度為稱為飽和角，是指BK3鐵芯從開始增磁至達(dá)到飽和狀態(tài)的角度，它的大小主要由飽和電抗器鐵芯的起始狀態(tài)來決定，也就是控制繞組中的直流電流的大小來決定，隨控制電流大小的變化而變化。4.控制繞組電抗器的控制繞組有正偏繞組和負(fù)偏繞組兩種，在實(shí)際應(yīng)用中通常將正偏繞組稱作偏移繞組，而將負(fù)偏繞組稱作控制繞組。通過電抗器工作繞組的電流方向

7、是固定的，而負(fù)偏繞組所加電流的方向與工作繞組的電流方向相反，當(dāng)控制繞組（負(fù)偏繞組）中的電流增加時(shí)，飽和電抗器的飽和角增加，三相整流橋的換相延遲加大，整流橋輸出直流電壓減小，直流電流相應(yīng)減小。 當(dāng)電解效應(yīng)造成電解直流電壓升高或電網(wǎng)電壓下降，電解直流電流下降時(shí)，可以使電抗器的控制電流Ik相應(yīng)減小，對(duì)應(yīng)的電抗器飽和角減小，三相整流橋的換相角延遲減小，整流裝置的輸出電壓增加，電解直流電流相應(yīng)增加，起到了自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用，反之亦然。5.偏移繞組的作用 正偏繞組也叫做偏移繞組，主要起到兩個(gè)作用：一個(gè)是增加飽和電抗器的調(diào)壓深度，另一個(gè)是平衡同一整流機(jī)組兩臺(tái)整流裝置之間的負(fù)載。由圖4可知，為了更好的利用飽和電抗

8、器的線性工作范圍（即為了增加飽和電抗器的飽和深度），增大飽和電抗器的調(diào)壓范圍，可以使圖4中的H軸（磁場強(qiáng)度）向下偏移來達(dá)到這個(gè)目的。我們就把這個(gè)增加飽和電抗器調(diào)壓深度的繞組叫做正偏繞組。在正偏繞組上加入電壓Up就可以使飽和電抗器的調(diào)壓深度增加，此電壓叫做偏移電壓，繞組中的電流叫做正偏電流。如圖5所示，在正偏繞組中通過電流Ip時(shí)，橫軸將由H移到H位置，即線性區(qū)ob段增加，達(dá)到了增加調(diào)壓深度的作用。二、穩(wěn)流控制系統(tǒng)1、PLC穩(wěn)流控制系統(tǒng)PLC穩(wěn)流控制系統(tǒng)對(duì)飽和電抗器電流控制采用功率器件IGBT，通過控制IGBT占空比以改變電抗器的控制電流和偏移電流，IGBT的配專門驅(qū)動(dòng)電路，電流閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)采

9、用PLC的軟指令控制。穩(wěn)流控制系統(tǒng)的控制器是飽和電抗器，按控制方式劃分有兩種，一種是負(fù)控制方式，即飽和電抗器控制電流增加，整流器輸出電流減少：另種是正控制方式，即飽和電抗器控制電流增加，整流器輸出電流也增大。2、IGBT 也稱為絕緣柵雙極晶體管, 是復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件,既具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡單的優(yōu)點(diǎn), 又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn),。IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向門極電壓形成溝道，給NPN晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。（G門極，C集電極。

10、E發(fā)射極）驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT占空比，即導(dǎo)通角度從而控制其輸出電壓大小，采用了PWM技術(shù)，脈寬調(diào)制（PWM）基本原理：控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。3、PLC自動(dòng)穩(wěn)流控制系統(tǒng)組成采用N+1結(jié)構(gòu)形式，即6臺(tái)整流機(jī)組各配置l套分調(diào)PLC控制器穩(wěn)流裝置實(shí)現(xiàn)單機(jī)組的小閉環(huán)穩(wěn)流控制；總調(diào)控制由1臺(tái)總調(diào)PLc控制器完成，安裝于中央控制

11、室，實(shí)現(xiàn)系列直流電流的大閉環(huán)穩(wěn)流控制。PLC自動(dòng)穩(wěn)流控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括單機(jī)組PLC穩(wěn)流控制器、系列總調(diào)PLC穩(wěn)流控制器、三相橋式整流橋(IGBT模塊)組件、IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及電源模塊、等組成。軟件部分包括PLC系統(tǒng)軟件、PID控制軟件以及有關(guān)自動(dòng)控制軟件組成。4. 單臺(tái)整流機(jī)組穩(wěn)流控制 穩(wěn)流控制如圖6所示，穩(wěn)流控制的原理是將整流柜的直流輸出電流經(jīng)電流變換后形成反饋If（0-5V），與給定電流Ig在PLC中比較后形成一個(gè)比較電壓，比較電壓經(jīng)PID運(yùn)算后，控制PLC輸出脈沖的占空比，從而改變IGBT的輸出電流，也就是控制繞組電流Ik，用來調(diào)節(jié)整流裝置的輸出電流。系統(tǒng)的調(diào)

12、節(jié)過程是：當(dāng)電解槽發(fā)生陽極效應(yīng)時(shí)，槽電壓上升，電解電流下降時(shí)，由于PID調(diào)節(jié)器的作用，IGBT的導(dǎo)通角將變小，輸出電壓降低，飽和電抗器控制電流IK下降，其鐵芯的飽和角變小，二極管導(dǎo)通滯后時(shí)間變小，整流裝置輸出電流增加，從而使電解電流達(dá)到恒定。 平衡控制平衡控制原理圖與穩(wěn)流控制原理圖相同，只是給定信號(hào)與反饋信號(hào)不同。平衡控制的原理是保持臺(tái)飽和電抗器的正偏電流不變，將A臺(tái)整流裝置的輸出電流做為給定信號(hào)，將B臺(tái)整流裝置的輸出電流做為反饋信號(hào)，在PLC中進(jìn)行信號(hào)比較和PID運(yùn)算后，控制PLC輸出脈沖的占空比，改變IGBT的輸出電流，從而控制臺(tái)飽和電抗器的正偏電流，使A、B臺(tái)整流裝置的輸出電流始終保持一

13、致。其調(diào)節(jié)過程是：當(dāng)B臺(tái)整流裝置的輸出電流大于A臺(tái)整流裝置的輸出電流時(shí)，PLC控制器中的比較信號(hào)電壓下降，經(jīng)PID運(yùn)算后IGBT的導(dǎo)通角變小，輸出電流下降，也就是B臺(tái)電抗器的正偏電流下降，由于電抗器正偏繞組中的電流方向與工作繞組中的交流電流方向相同，正偏電流的增磁作用減弱，B臺(tái)電抗器鐵芯的飽和角加大，二極管導(dǎo)通滯后時(shí)間加長，B臺(tái)整流裝置的輸出電流減小，起到平衡A、B臺(tái)整流裝置平均分擔(dān)負(fù)荷的目的。5. 電解系列穩(wěn)流控制一般大型整流系統(tǒng)由幾個(gè)單機(jī)組并聯(lián)組成，系列電流等于幾個(gè)單機(jī)組輸出電流之和。單機(jī)組穩(wěn)流控制器可實(shí)現(xiàn)單機(jī)組輸出電流穩(wěn)定。為了使系列電流更加精確穩(wěn)定，特設(shè)計(jì)系列電流穩(wěn)流控制。系列直流電流

14、經(jīng)總直流互感器及變送器反饋至總調(diào)PLC與系列電流設(shè)定(數(shù)字給定)進(jìn)行比較，經(jīng)PID計(jì)算調(diào)節(jié)，輸出一電壓值并平均分配給各整流機(jī)組，作為各整流機(jī)組的分調(diào)給定，并同時(shí)判斷各單機(jī)組飽和電抗器的工作狀態(tài)，自動(dòng)控制有載開關(guān)的升降，使飽和電抗器始終工作在線性區(qū)，從而進(jìn)一步提高系列電流的穩(wěn)定性。系列電流控制原理圖如圖上圖所示。其調(diào)節(jié)過程如下：當(dāng)電解負(fù)載增大時(shí)，系列電壓上升，系列電流ld降低。因設(shè)定電流Ig不變，所以Uf一UUgd，使機(jī)組控制電流Ik降低。如果效應(yīng)大于控制電壓，因飽和電抗器已經(jīng)飽和，總自動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器有載開關(guān)升級(jí)。 三、穩(wěn)流控制系統(tǒng)通信該控制系統(tǒng)采用主從控制結(jié)構(gòu)：主站選用西門子S7-300控制器，

15、從站選用S7200控制器，主站與從站之間的通訊采用PROFIBUS-DP（數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)12Mbp，最多125從站）通訊協(xié)議。總調(diào)PLC與單機(jī)組PLC通過現(xiàn)場總線PROFIBUS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和交換，監(jiān)控計(jì)算機(jī)與總調(diào)PLC采用MPI（波特率為1875千位秒，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的通訊距離50米，最多連接32個(gè)站）網(wǎng)絡(luò)通訊，控制方式的選擇及系統(tǒng)信息的顯示均由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。通信線路主-從之間均采用光纜。后臺(tái)之間用網(wǎng)線。其系統(tǒng)圖如下：光電轉(zhuǎn)換模塊MPI光纜光電轉(zhuǎn)換模塊Profibus-DP總控PLC3001*整流機(jī)組S7-PLC200后臺(tái)監(jiān)控機(jī)綜自系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換模塊2*整流機(jī)組S7-PLC200光電轉(zhuǎn)換模塊5*

16、整流機(jī)組S7-PLC200四、穩(wěn)流控制程序及運(yùn)行方式：1.控制程序：電解系列總電流的恒電流、恒安時(shí)控制是通過調(diào)節(jié)整流機(jī)組的直流輸出電壓來實(shí)現(xiàn)的。正常運(yùn)行中，電網(wǎng)電壓或電解槽負(fù)載的波動(dòng)應(yīng)在飽和電抗器的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)而獲得精確的閉環(huán)控制。對(duì)于超出飽電抗器調(diào)節(jié)范圍的情況，PLC控制系統(tǒng)應(yīng)采取以下響應(yīng)：電解系列總電流正超出或負(fù)欠流時(shí)，總PLC自動(dòng)對(duì)各整流機(jī)組的有載分接開關(guān)進(jìn)行降檔、升檔操作，使電流進(jìn)入目標(biāo)范圍內(nèi)。正常運(yùn)行中6臺(tái)整流機(jī)組中的任意1臺(tái)因故退出運(yùn)行對(duì)，總調(diào)PLC自動(dòng)切換整流機(jī)組運(yùn)行方式(即從6機(jī)組運(yùn)行方式切換到5機(jī)組運(yùn)行方式)，同時(shí)，自動(dòng)調(diào)整各機(jī)組恒電流閉環(huán)控制的給定值，并進(jìn)行5臺(tái)整流機(jī)組的有載分接開關(guān)的升檔操作，使總電流輸出達(dá)到系列電流運(yùn)行目標(biāo)值水平。軟件的總體結(jié)構(gòu)分為兩部分，一是總調(diào)PLC穩(wěn)流大閉環(huán)控制軟件，二是機(jī)組PLC穩(wěn)流小閉環(huán)軟件。總調(diào)PLC的主要任務(wù)是總電流設(shè)定與總電流反饋的比較，實(shí)現(xiàn)恒安時(shí)、恒電流控制。機(jī)組PLC的主要任務(wù)是單機(jī)組直流給定與反饋的比較，PID運(yùn)算、PWM控制脈沖輸出。2.運(yùn)行方式：本穩(wěn)流系統(tǒng)包括主控臺(tái)操作部分，總調(diào)PLC部分，單機(jī)組穩(wěn)流柜部分和單機(jī)組穩(wěn)流柜觸摸屏部分。l 穩(wěn)流系統(tǒng)總調(diào)的狀態(tài)有“自動(dòng)/手動(dòng)”l 穩(wěn)流系統(tǒng)機(jī)組的狀態(tài)有“總調(diào)/分調(diào)”l 有載開關(guān)總的狀態(tài)有“自動(dòng)/手動(dòng)”l