稳流控制新版系统介绍.doc

稳流控制系统组成及通讯培训纲领1、 稳流系统组成2、 饱和电抗器工作原理3、 稳流控制器组成及稳流原理4、 稳流控制系统程序及运行方法稳流控制系统组成及通讯电能是电解铝生产关键能源，电解铝生产采取是直流电，电能成本约占电解铝总成本30%-40%。铝电解生产供电有以下特点：低电压、大电流直流电；直流电能生产连续性；直流电能供给恒流性。现在中国大型整流设备有两种整流方法：整流变+可控硅整流，整流变（调压开关）+自饱和电抗器+二极管整流。电流控制方法通常采取恒流控制，恒定直流电流调整方法通常为整流变压器有载调压开关和自饱和电抗器相结合方法，有载调压为直流电压粗调，自饱和电抗器为直流电压细调，自饱和电抗器是直流电流恒流控制关键实施元件，调整直流电压范围约为5070V。总而言之，稳流系统=有载调压开关+自饱和电抗器+稳流控制系统一、饱和电抗器1饱和电抗器必需实现以下职能： 1 在有载调压分接开关直流级差电压范围内起到细调作用； 2 降低有载调压分接开关动作次数，以延长其检修周期和使用寿命，为此饱和电抗器调压范围应大于有载调压开关直流级差电压（每调一档电压差在12-16V），通常大于两级差电压，同时也不应小于电解一个阳极效应电压（40-50V直流电压）； 3 校正电网电压短时波动所引发电解直流电流波动； 4 校正各整流机组之间或同一机组两整流装置之间负荷分配不均。2工作原理饱和电抗器是利用铁磁物质磁化曲线非线性和饱和特征，以较小直流功率来控制较大交流负载一个电器，即利用铁磁物质磁导率不是常数这一特征而工作。饱和电抗器属于交直流同时磁化非线性电抗器，和负载串联，用来调整负载电流和功率，能够把饱和电抗器看成一个可控制阻抗，但它是非线性，不能用近似线性电抗器概念来解释饱和电抗器。饱和电抗器基础工作原理是利用直流绕组电流大小来改变交流电路电抗。原理图1，它是一个含有交流绕组和直流绕组铁芯磁路。当交流电压Ua和交流回路电阻Ra不变时，交流电流Ia和交流线圈La相关：在不计漏磁和铁芯损耗情况下，线圈电感量可用下式表示：从上式可知，交流线圈电感量在一定磁路L和匝数N下和磁路铁芯磁导率成正比。改变磁导率就能够改变交流线圈电感，从而改变电流和电抗器容量。因为铁磁物质磁导率不是常数，在正常工作下磁导率随铁芯饱和而减小，而铁芯饱和程度改变能够经过改变直流绕组励磁电流Id来实现。Id增大则铁芯磁感应强度增大，铁芯靠近饱和，磁导率减小，从而电感值减小，交流电流Ia随之增大。由此可见，直流电流大小能够控制交流输出电流大小，将直流绕组称为控制绕组，交流绕组称为工作绕组。3. 调整过程图2所表示，利用饱和电抗器输出特征，将饱和电抗器交流工作线圈串接在整流装置整流臂中，直流控制绕组接控制电源。在不考虑整流变压器漏抗理想情况下，在t=0时刻以前，整流桥臂D1流过电流为Id，电抗器BK1工作绕组中电流为Id，此时电抗器BK1铁芯处于饱和状态，其磁阻很小能够忽略不计；在t=0时，因为Ua=Ub,则电流Id应瞬时由a相换到b相，但因为饱和电抗器BK3阻碍作用，使换相被推迟，其推迟时间和饱和电抗器BK3起始状态相关；在t=0时刻以后，因为UbUa，在电压差作用下，饱和电抗器BK3工作绕组中电流逐步增加，激磁作用加大，在t=t1时刻BK3铁芯饱和，磁阻很小，整流桥臂D3完全导通，负载电流Id几乎全部流经BK3工作绕组，和此同时，电抗器BK1铁芯在反向电压（Ua-Ub为负）作用下逐步去磁，至t=t2时刻电抗器BK1铁芯恢复到起始状态，整流桥臂D1封闭，电流为零，完成一个换相过程，图3所表示。由此可见，因为饱和电抗器交直流同时励磁，使得三相整流桥换相点由t=0时刻延迟到t=t1时刻，改变了整流桥直流输出电压，达成了调整目标，其对应角度为称为饱和角，是指BK3铁芯从开始增磁至达成饱和状态角度，它大小关键由饱和电抗器铁芯起始状态来决定，也就是控制绕组中直流电流大小来决定，随控制电流大小改变而改变。4.控制绕组电抗器控制绕组有正偏绕组和负偏绕组两种，在实际应用中通常将正偏绕组称作偏移绕组，而将负偏绕组称作控制绕组。经过电抗器工作绕组电流方向是固定，而负偏绕组所加电流方向和工作绕组电流方向相反，当控制绕组（负偏绕组）中电流增加时，饱和电抗器饱和角增加，三相整流桥换相延迟加大，整流桥输出直流电压减小，直流电流对应减小。 当电解效应造成电解直流电压升高或电网电压下降，电解直流电流下降时，能够使电抗器控制电流Ik对应减小，对应电抗器饱和角减小，三相整流桥换相角延迟减小，整流装置输出电压增加，电解直流电流对应增加，起到了自动调整作用，反之亦然。5.偏移绕组作用 正偏绕组也叫做偏移绕组，关键起到两个作用：一个是增加饱和电抗器调压深度，另一个是平衡同一整流机组两台整流装置之间负载。由图4可知，为了愈加好利用饱和电抗器线性工作范围（即为了增加饱和电抗器饱和深度），增大饱和电抗器调压范围，能够使图4中H轴（磁场强度）向下偏移来达成这个目标。我们就把这个增加饱和电抗器调压深度绕组叫做正偏绕组。在正偏绕组上加入电压Up就能够使饱和电抗器调压深度增加，此电压叫做偏移电压，绕组中电流叫做正偏电流。图5所表示，在正偏绕组中经过电流Ip时，横轴将由H移到H位置，即线性区ob段增加，达成了增加调压深度作用。二、稳流控制系统1、PLC稳流控制系统PLC稳流控制系统对饱和电抗器电流控制采取功率器件IGBT，经过控制IGBT占空比以改变电抗器控制电流和偏移电流，IGBT配专门驱动电路，电流闭环PID调整采取PLC软指令控制。稳流控制系统控制器是饱和电抗器，按控制方法划分有两种，一个是负控制方法，即饱和电抗器控制电流增加，整流器输出电流降低：另种是正控制方法，即饱和电抗器控制电流增加，整流器输出电流也增大。2、IGBT 也称为绝缘栅双极晶体管, 是复合了功率场效应管和电力晶体管优点而产生一个新型复合器件,既含有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单优点, 又含有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点,。IGBT 开关作用是经过加正向门极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。（G门极，C集电极。E发射极） 驱动电路控制IGBT占空比，即导通角度从而控制其输出电压大小，采取了PWM技术，脉宽调制（PWM）基础原理：控制方法就是对逆变电路开关器件通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等脉冲，用这些脉冲来替换正弦波或所需要波形。也就是在输出波形半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲等值电压为正弦波形，所取得输出平滑且低次谐波少。按一定规则对各脉冲宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压大小，也可改变输出频率。3、PLC自动稳流控制系统组成采取N+1结构形式，即6台整流机组各配置l套分调PLC控制器稳流装置实现单机组小闭环稳流控制；总调控制由1台总调PLc控制器完成，安装于中央控制室，实现系列直流电流大闭环稳流控制。PLC自动稳流控制系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分包含单机组PLC稳流控制器、系列总调PLC稳流控制器、三相桥式整流桥(IGBT模块)组件、IGBT驱动电路和电源模块、附件等组成。软件部分包含PLC系统软件、PID控制软件和相关自动控制软件组成。4. 单台整流机组稳流控制 稳流控制图6所表示，稳流控制原理是将整流柜直流输出电流经电流变换后形成反馈If（0-5V），和给定电流Ig在PLC中比较后形成一个比较电压，比较电压经PID运算后，控制PLC输出脉冲占空比，从而改变IGBT输出电流，也就是控制绕组电流Ik，用来调整整流装置输出电流。系统调整过程是：当电解槽发生阳极效应时，槽电压上升，电解电流下降时，因为PID调整器作用，IGBT导通角将变小，输出电压降低，饱和电抗器控制电流IK下降，其铁芯饱和角变小，二极管导通滞后时间变小，整流装置输出电流增加，从而使电解电流达成恒定。 平衡控制平衡控制原理图和稳流控制原理图相同，只是给定信号和反馈信号不一样。平衡控制原理是保持台饱和电抗器正偏电流不变，将A台整流装置输出电流做为给定信号，将B台整流装置输出电流做为反馈信号，在PLC中进行信号比较和PID运算后，控制PLC输出脉冲占空比，改变IGBT输出电流，从而控制台饱和电抗器正偏电流，使A、B台整流装置输出电流一直保持一致。其调整过程是：当B台整流装置输出电流大于A台整流装置输出电流时，PLC控制器中比较信号电压下降，经PID运算后IGBT导通角变小，输出电流下降，也就是B台电抗器正偏电流下降，因为电抗器正偏绕组中电流方向和工作绕组中交流电流方向相同，正偏电流增磁作用减弱，B台电抗器铁芯饱和角加大，二极管导通滞后时间加长，B台整流装置输出电流减小，起到平衡A、B台整流装置平均分担负荷目标。5. 电解系列稳流控制通常大型整流系统由多个单机组并联组成，系列电流等于多个单机组输出电流之和。单机组稳流控制器可实现单机组输出电流稳定。为了使系列电流愈加正确稳定，特设计系列电流稳流控制。系列直流电流经总直流互感器及变送器反馈至总调PLC和系列电流设定(数字给定)进行比较，经PID计算调整，输出一电压值并平均分配给各整流机组，作为各整流机组分调给定，并同时判定各单机组饱和电抗器工作状态，自动控制有载开关升降，使饱和电抗器一直工作在线性区，从而深入提升系列电流稳定性。系列电流控制原理图图上图所表示。其调整过程以下：当电解负载增大时，系列电压上升，系列电流ld降低。因设定电流Ig不变，所以Uf一UUgd，使机组控制电流Ik降低。假如效应大于控制电压，因饱和电抗器已经饱和，总自动调整变压器有载开关升级。 三、稳流控制系统通信该控制系统采取主从控制结构：主站选择西门子S7-300控制器，从站选择S7200控制器，主站和从站之间通讯采取PROFIBUS-DP（数据传输速率高达12Mbp，最多125从站）通讯协议。总调PLC和单机组PLC经过现场总线PROFIBUS实现数据传输和交换，监控计算机和总调PLC采取MPI（波特率为1875千位秒，两个结点之间通讯距离50米，最多连接32个站）网络通讯，控制方法选择及系统信息显示均由上位机实现。通信线路主-从之间均采取光缆。后台之间用网线。其系统图以下：光电转换模块MPI光缆光电转换模块Profibus-DP总控PLC3001#整流机组S7-PLC200后台监控机综自系统光电转换模块2#整流机组S7-PLC200光电转换模块5#整流机组S7-PLC200四、稳流控制程序及运行方法：1.控制程序：电解系列总电流恒电流、恒安时控制是经过调整整流机组直流输出电压来实现。正常运行中，电网电压或电解槽负载波动应在饱和电抗器调整范围内而取得正确闭环控制。对于超出饱电抗器调整范围情况，PLC控制系统应采取以下响应：电解系列总电流正超出或负欠流时，总PLC自动对各整流机组有载分接开关进行降档、升档操作，使电流进入目标范围内。正常运行中6台整流机组中任意1台因故退出运行对，总调PLC自动切换整流机组运行方法(即从6机组运行方法切换到5机组运行方法)，同时，自动调整各机组恒电流闭环控制给定值，并进行5台整流机组有载分接开关升档操作，使总电流输出达成系列电流运行目标值水平。软件总体结构分为两部分，一是总调PLC稳流大闭环控制软件，二是机组PLC稳流小闭环软件。总调PLC关键任务是总电流设定和总电流反馈比较，实现恒安时、恒电流控制。机组PLC关键任务是单机组直流给定和反馈比较，PID运算、PWM控制脉冲输出。2.运行方法：本稳流系统包含主控台操作部分，总调PLC部分，单机组稳流柜部分和单机组稳流柜触摸屏部分。l 稳流系统总调状态有“自动/手动”l 稳流系统机组状态有“总调/分调”l 有载开关总状态有“自动/手动”l 单机组有载开关状态有“单动/联动”l 有载开关含有正常工作和停止两种状态。运行方法一（推荐）：N机组运行，稳流自动、总调方法，有载开关手动、联动方法：运行方法二：（N1）机组总调方法运行，停机机组在分调方法运行；稳流自动，（N1）机组有载开关手动、联动方法，停机机组有载开关在手动、单动方法：运行方法三：全部机组分调方法运行，稳流自动；机组有载开关手动、联动方法：注意：结合操作监控画面进行现场讲解五：稳流控制系统维护检修单独作为培训题目：关键稳流控制柜原理图，故障判定，调压开关电气部分加入，升降档操作故障查找及处理。