整流所数字式稳流系统

【整流所数字式稳流系统方案】2005-01-06
整流所数字式稳流系统
目录
一、前言
二、数字式稳流控制系统原理
三、数字式稳流系统方案
四、数字式稳流控制系统的特点
五、数字式稳流控制系统的应用
六、结束语
一、前言
目前，国内大型整流设备除部分引进可控硅整流装置外，大部分仍采用二极管整流。

其直流电流调节方式为整流变压器有载调压与自饱和电抗器结合的方式。

有载调压为直流电流的粗调，调节直流电压的范围为8~15伏; 自饱和电抗器为直流电流的细调，调节直流电压的范围为50~70伏，并且将饱和电抗器作为直流电流恒电流控制的主要执行元件。

对于铝电解行业，直流电流的平稳度是影响铝电解产量的重要因素之一。

因此恒流控制是铝电解行业供电系统中值得研究的一个重要课题。

数字式稳流控制系统是我们将多年的实践运行经验和PLC可编程控制器技术相结合开发研制而成，并成功地运用在包铝供电公司整流三所的整流装置中，效果显著。

本文就该系统的设计原理及特点进行介绍，以供同行参考。

二、数字式稳流控制系统原理
1、自饱和电抗器的作用
在大型整流机组中，自饱和电抗器主要用于调整直流输出电流。

通过改变偏移绕组或控制绕组的电流来改变电抗器中的磁势（电抗值），从而使整流元件自然换相角延迟，达到调整直流电流的目的。

2、单机组稳流控制，见图1。

（1）恒流控制
恒流控制的原理是将机组的直流输出电流经变换后反馈给PLC，与给定信号比较，PLC进行PID计算，并根据同步电压形成三相脉
冲，控制三相半控桥的导通角，改变饱和电抗器的控制电流，从而达到机组电流稳定的目的。

（2）平衡控制
由于饱和电抗器的特性不一致，经常造成机组之间以及同一台机组的两台整流柜之间输出电流有较大的的差别，使整流机组达不到额定出力。

平衡控制的原理是把一台整流柜（A柜）的输出电流做为给定，另一台整流柜的输出电流作为反馈,PLC进行比较和PID计算后，改变三相桥的导通角，控制A柜的饱和电控器的正偏电流，B柜的正偏电流不变。

平衡控制通过改变A柜饱和电抗器的正偏电流，使A 柜B柜的直流电流始终保持一致。

3、总调控制
一般系列由几个单机组并联组成，系列电流等于几个单机组输出电流之和。

单机组稳流可实现单机组输出电流稳定，为了使系列电流更加精确、稳定，特设计系列电流稳流控制，如图(2) 。

由系列电流经互感器反馈至ＰＬＣ与系列电流设定（数字给定）进行比较、计算，输出的结果作为单机组稳流的分调给定，从而使系列电流的稳流精度达到0.4%。

一般饱和电抗器的控制深度为60V 左右，当其饱和时，ＰＬＣ能自动调节变压器有载开关的升降，从而使系列电流不论在多大的电压波动情况下，均能达到稳流的目的，扩大调压范围。

4、恒安时控制
恒安时控制即安时偏差控制，它将每小时每分钟的实际电解电流
累计值进行比较，根据所求得安时差及本小时剩余时间自动调整设定电流，以达到安时偏差自动控制
三、数字式稳流系统方案（见附图2）
1、硬件配置方案
⑴稳流系统主要元件选用：
西门子公司生产的微型可编程控制器（PLC）
SIMATIC S7-200 （CPU216）。

S7-200 PLC结构的特点：
■它的塑料外壳既紧凑又坚固。

■PLC上设计有专用的DIN导轨安装机构和安装孔，可垂直水平装。

■电气安全标准符合VDE、VL、CSA、和ISO9001有关安全标准。

■可维护性：配有EEPROM和大容量电容器，不需要后备电池。

■本机上带有输入输出点：CPU216具有24个输入点、16个输出点。

■灵活的中断输入：S7-200的CPU以极快的速度响应中断请求信号。

■机内配有高速计数器，以适应对机外高速信号计数的要求。

CPU216 带有两个计数频率最高达2KHz的高速计数器，每个计数器可用程序复位，并可设置成加法或减法计数或相位差90‘的两个脉冲序列。

■便于扩展：为系统备有专用的数子扩展模板（EM），可以很方便的对系统的输入输出点作扩展。

■CPU216具有PID指令，便于对系统作动态控制。

有两个通信口
⑵参数设定修该选用西门子TD 200 文本显示器
TD 200 文本显示器结构的特点：
■TD 200具有牢固的IP65级别的塑制前面板。

■TD 200厚度仅有27mm便于安装也可手持。

■高效率的LCD液晶显示器即使在背光的地方也清晰可见。

■参数输入键位于功能键的上部。

■内置连接通讯电缆的接口。

■TD 200的显示窗中可显示二行高度为5mm的字符，每行最多为20个字符。

显示器所用的24V直流电源一般情况下由S7-200提供。

2 数据通讯
■该稳流系统中全部采用PLC进行组网。

■PLC之间的信息交换通过网络通讯来实现，从而减少电缆连接，同时提高了信号传输的准确性。

3 信号取样
■稳流系统小闭环反馈控制信号取样采取整流变一次侧交流电流信号。

这是因为：
① 目前国产直流互感器温漂做的不好，信号失真大。

② 磁放大时间常数太长，不利于即时准确的控制。

■稳流系统大闭环反馈控制信号取样取至总直流互感器，经变送器把小信号至总调PLC。

系列电流设定采用编码轮既直观又方便操作，同时可由上级计算机系统（综合自动化系统）通过通讯来设定。

4 控制方式
稳流系统可采用四种运行方式
⑴在自动/ 总调方式下运行
■此时有载开关升降档指令均由计算机控制。

■有载开关升降操作是通过饱和电抗器控制电流来确认有载开关升与降。

■这个动作不影响系统的单个有载开关位置，如果机组的一个有载开关发生升与降的要求，这要求将计入并引起所有机组有载开关同时升降。

⑵在手动/ 总调方式下运行
■这种方式允许操作员进行总调，同时动作向上或向下。

■机组总的调整与自动/ 总调方式相同。

■时有载开关升降档，通过按钮来实现。

⑶在自动/分调方式下运行
■将用于希望单个机组与其它机组有不同基准。

■本机组有载开关升降不起作用。

⑷在手动/分调方式下运行
■将用于希望单个机组与其它机组有不同基准。

■希望由本机组有载开关升降来调整本机组电流。

四、数字式稳流控制系统的特点
大电流整流装置目前普遍采用模拟电路控制饱和电抗器来调节电流。

由于模拟电路元件多、调试工作量大、控制精度低、故障率高。

而数字式稳流控制系统是对自饱和电抗器作为稳流执行元件的恒流
控制系统，将目前较为先进的工业用ＰＬＣ可编程控制器应用到稳流系统中，全部采用大容量集中控制的数字电路，有效地实现了直流电流高精度控制。

和传统的模拟电路相比有如下突出的优点:
1.可靠性高、稳定性好。

一般工业生产环境恶劣，各种电磁干扰严重，而PLC 在硬件、软件设计都采取了一定的措施，使其平均无故障运行时间高达几十万小时。

因此采用最新的小型ＰＬＣ代替原来的模拟电路，没有一个调节元件，使系统的可靠性大大提高，系统故障率降低。

2.接线简单，易于安装，维护量小。

ＰＩ调节器、触发电路、同步信号等全部由ＰＬＣ执行，而且同步信号只需单相同步，使得整个系统接线简单，易于安装，维护简便。

3.触发脉冲对称度好。

由于采用全数字ＰＬＣ进行分频计数输出，因而使脉冲具有高度的对称性，无需外部调节。

4.稳流精度高，响应速度快。

饱和电抗器的控制特性是非线性的，ＰＬＣ能自动识别饱和电抗器的工作范围，从而自动改变控制参数以提高控制精度( 单机组稳流精度0.8% )。

5.操作简单、方便。

由于采用数字综合给定，输出电流与设定值一致，而且总调出现故障后，总调控制自动转到手动控制。

6.可方便地与计算机通讯。

五、数字式稳流控制系统的应用
数字式稳流控制系统为国内首创（采用可编程控制器）。

该系统开发成功后，首先应用到包头铝业集团公司供电公司整流机组中，随
后又被推广应用到兰州铝厂的两个整流所中。

经过运行验证，该系统不仅稳定性好、适用于铝行业强磁场、污染重等恶劣环境，而且反应速度快、稳流精度高、抑制效应电压深。

此外，由于采用数字电路进行控制，可以很方便地调整各整流机组的特性，使得机组每台整流柜输出一致，提高了设备运行的可靠性，很好地满足了电解工艺要求。

数字式稳流控制系统投运后曲线如图3。

六、结束语
数字式稳流控制系统广泛应用于电解、化工等需要提供恒定直流电流的行业。

特别是该系统在铝电解整流装置中的成功应用，不仅提高了电解系列直流电流的平稳度，而且对节约能源、提高电流效率有着不可忽视的作用，既有经济效益，又有一定的社会效益。

此外，随着计算机技术、网络技术的不断发展，实现变电站综合自动控制将成为趋势，而数字式稳流控制系统符合这样的发展趋势，可以很方便地实现与计算机联网，这是传统的模拟电路控制系统所无法比拟的优越性，因此该系统具有一定的社会推广应用价值。

【整流所数字式稳流系统方案】
数字式稳流系统方案框图
〖华力特成套设备有限公司2005-01-06〗 第 11 页共 11 页。