1 引言
目前在我国的铸造及冶炼行业中电弧炉有着十分广泛的应用，其中电极升降调节自动控制系统在其中有着举足轻重的作用，电弧炉电极调节器在国内历经了自流电动机式调节器、转差离合器式调节器、可控硅控制双绕组异步电动机式调节器等主要阶段，目前国内普遍采用可控硅控制的异步电动机调压调速这一技术，在国内电弧炉的应用中大部分均采用了此技术，这一技术国内在80年代已研制成产品并投入现场使用(代表产品KZY和KSD)，均取得了良好的经济效益和社会效益，随着技术的进步，人们认识的不断提高，生产工艺过程对设备有了更高的要求，例如，加强对电动机的保护，缩小死区，炼钢时三相功率的平衡，加快响应速度，进一步提高调速精度，简化系统结构，减少故障点，提高产品的可维护性，增加系统与车间(例如实验室)或下厂中央计算机联网等一系列功能，随着电力电子技术和微电子技术应用的推广，大规模集成电路的发展和新的控制理论的不断出现，变频调速技术已是一种成热的和品质优良的调速技术。
2 工业电弧炉的电极调节自动控制系统
2.1 早期的控制方法
交流电弧炉(AC炉)或精炼炉是把三相交流电源经电炉短网分别送到炉顶三根石墨电极上，并以废钢或钢水为中性点，在炉顶电极与废钢或钢水之间产生电弧形成高温。以熔化废钢或使钢水升温。电极升降调节系统在炼钢电弧炉及精炼炉装置中是一个十分重要的系统，电极升降调节系统的可靠性及响应速度直接对降低石墨电极和电能的消耗、减少对电网的负荷冲击以及最大限度地发挥电弧熔炼炉及钢包精炼炉的炼钢潜力等均会产生十分重要的影响。
在早期的使用中，电极的调节都是靠操作工进行全手动控制，导致其产品质量很大程度上依赖于操作工的经验，同时也造成了人量人力、物力以及电能的损耗，同时这种方法可调性差、不准确，产品质量也难以保证。
2.2 加载了变频调速环节后的控制方法
电极调节是电弧炉炼钢中的关键技术。简言之，电极升降调节系统的工作原理就是将电弧的电学和物理参数输入到闭环的电极位置控制系统中，以确保在整个冶炼过程中操作稳定考虑到安全和功率以及提高电极的寿命等因素，对控制系统的要求之一就是当发生持续的过载电流时，电极就会自动快速提升，以迅速排除过载状态。一旦过载被排除，系统又转入正常的自动操作。输出到电弧炉内的电功率数值与电弧长度有关，在电炉工作过程中，特别是在炉料熔化期，电极弧隙长度经常变化，离开正常工作状态的各种偏差不断发生电弧长度的变化，就必然导致输入功率的变化，从而影响炼钢质量。因此，对电弧炉工作的基本要求就是在最佳用电规范下，保持稳定的电弧长度。欲保持电弧长度不变。最普遍的方法就是连续调节电极位置来调节电极弧隙长度，从而使电弧炉稳定地下作在最佳工作点。由于在熔化期经常有冲击电流和短路现象发生，因此只有实现自动控制才能实现高质量、高生产率和低能耗。
因为在电弧炉中电极移动要求非常高，选择一个好的调速方法非常关键。众所周知，变频调速是目前交流调速中最好的调速方法，并有取代自流调速的趋势，因此采用变频调速的方法是一个很好的选择。加装了变频器后电弧炉的电极调节是通过变频器调节电机转速来实现的，我们知道电机的转速n =60f(1-s)/p，其中n表示转速、f表示频率、s表示电动转差率、p表示电动机极对数.转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0- 50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频调速的原理就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的.通过变频调速控制电机转速来调节电弧炉的电极，既满足了工艺要求、增加效率，同时也使得电能的损耗大大减少。加载了变频调速环节后的系统方框图见图1。
图1 加载了变频调速环节后的系统方框图
3 变频器的使用
目前市面上的变频器产品多种多样，可以根据不同的工艺要求选取所需的产品，本系统选用的是富士系统变频器.，它采用32位计算机.专用大规模集成电路.具有非常强大的功能，如电流限定、加减速时间、转矩提升、电压调速及瞬间停电后的重新启动、转差补偿等，它的可靠性能很高 ,因此，我们选择这种变频器。本系统提升电动机功率为7. KW，电压380V，选用变频器型号为FRN7. 5G11S- 4CX其基本连接图如图2所示
图2 变频器基本连接图
使用时应注意以下几点:
(1)电源一定要连接于主电路电源端子L1/R、 L2/S、L3/T。如果错将电源连接于其他端子，则将损坏变频器。
(2)接地端子必须良好接地，一方面可以防止电击或火警事故，另外能降低噪声。
(3)一定要用压接端子连接端子和导线，保证连接的高可靠性。
(4)投入电源后要改变接线，首先应切除电源，并必须注意主电路直流部分滤波电容器完成放电需要一定时间，为避免危险，要等待充电指示灯熄灭，再用直流电压表测试，确认电压值小于DC25V安全电压值后，才能开始作业。另外，由于有残留电压，电路短路时会发生电火花，所以最好在无电压条件下进行作业。
3.1 变频控制调节器的选择
目前对变频器的控制大多是外部控制模式，即以继电器吸合、断开作为变频器外部控制输入回路的输入信号。这种模式变频器控制系统布线多，而过多的继电器降低了系统的稳定性，易产生误动作，增加了控制系统故障率。
为了避免上述控制过程中存在的缺点，针对变频器采用继电器外部控制方式稳定性差、调节频率不方便易产生误动作或动作不到位的情况，用单片机通过RS- 485接口实现对变频器的通讯控制。RS- 485串行总线标准接口的收发信号是由两条信号线的差分传输实现的，这样可有效避免干扰。采用双绞线传输波特率为9600bit/ s时，有效距离可达15Km。用通讯模式监视、控制变频器的运行，能有效地解决这一问题，因此，开发用单片机控制变频器来实现闭环交流调速系统的控制将具有重要意义。
在此采用AT89C51单片机通过RS- 485接口对进行运行、监视操作。AT89C51单片机具有M CS- 51内核，指令系统与MCS- 51的单片机100%兼容，片内有4k Flah E-PROM, 128字节RAM, 5个中断源，一个串行口,最高工作频率可达24Mz。
通过RS- 485进行通信调速的电路如图3所示，单片机可通过串行通信接口向变频器发送各种控制命令，也可以通过串行通信接口了解变频器接受命令后的工作情况。向变频器发送的控制命令通常包括:正转及频率、反转及频率、停机等。
图3 串行通信调速系统原理图
3.2 控制方法
在单片机与变频器的通信过程中，单片机为主站始终由单片机给变频器发送报文。变频器接收并反馈报文，但不能主动向单片机发送报文。在单片机与变频器通信过程中有如下2种操作:(1)写操作一单片机向变频器写参数:单片机发送报文→变频器接收报文→变频器发送反馈报文→单片机接收报文。其中变频器的反馈报文包括变频器的当前状态(2)读操作一单片机从变频器读出参数，监视变频器的运行状态，其过程与写操作类似，不同点在于报文中相关参数为所要查询的变频器的运行参数包括变频器的运行频率、旋转方向、电极转速、电流值等。
单片机完成对整个系统的两级监控管理，协调各模块之间的工作，并进行复杂的控制决策。控制量通过R5- 485接口输出至变频器，变频器根据接收到的信号产生变压变频的电源信号，以驱动交流电机实现调速。系统的开关量控制模块，可方便地实现电机的启动、停止及加减速等功能。A/D模块接收整流滤波处理后的弧流反馈信号，构成调节闭环，使系统稳定工作。因此实现了一套结构简单、功能齐全和运行可靠的交流变频数字调速系统。
3.3 通信程序设计
由于工作过程中电极的弧流值不断变化，要求电极能够及时的升降，弧流检测电路通过A/D转换电路将信号采集进入单片机，由系统给定值与实际测量值进行比较后得到调整量，通过串行通信接口发送给变频器，直至弧流值接近稳定为止。在此需要强调的是:由于工艺要求，在弧流值减小时，需要电机快速转动带动电极迅速下降，反之当弧流值过大时电机反转带动电极上升，此时要求上升速度较前者慢。程序实现如下功能:设置变频器的运行参数和读取变频器的运行状态参数。控制流程如图4所示。
图4 主程序流程图
4 变频调速的效益
使用变频调速的直接效益是节能，在大幅限电的不利形式下，仍能够在有限的条件里，最大效率发挥其功能，并且很好的完成生产任务。此外，由于采用了变频调速技术，大大减小了操作强度:减少了由于操作不当引起跳闸的次数，提升了系统的稳定性，由于一般直接全压启动的电机，它的启动电流能达到额定电流几倍以上，采用变频器则使启动电流控制在额定电流之内，这样就能够平稳的启动电机，无形中就延长了电机的使用寿命。
5 结束语
变频调速技术在工业电弧炉中的成功使用，不仅提高了系统稳定性和可靠性，还节省了人量的电能以及人力物力，更为重要的是，产品的质量得到了大幅的提升，为生产的节能增效打下了一个良好的基础。
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