电弧炉的机电一体化设计

电弧炉的机电一体化设计

刘志文

（江苏五合美集能源技术有限公司江苏无锡214000）

摘要：科技发展的进步和经济水平的提高加快了人们的生活节奏，人们对生产力的要求也逐渐提高，尤其是电子高新技术的发展，给机械工程工业的生产提供了新方式。电弧炉作为熔炼金属的专业炼钢炉，在现代社会的工业建设中有重要地位，机电一体化设计具有智能化、绿色化和人性化等现代特征和优势，将机电一体化设计与电弧炉的应用相结合，是一项具有现代进步意义的选择。本文首先简单介绍电弧炉的控制系统，随后结合机电一体化的特征阐述两者之间的结合应用。

关键词：电弧炉；机电一体化

机电一体化控制系统融合多种技术，在人类社会进步的过程中发挥着越来越不可缺少的作用，并呈现出与各种工业技术融合发展的趋势，带来显著的经济效益和社会效益，电弧炉一直是世界炼钢工业的主要形式，在自现代自动化和智能化的发展模式下，电弧炉炼钢的优势越来越显著，冶炼周期逐渐缩短，冶炼效率显著提高，冶炼质量相应得到改善，为企业获得更多盈利，在电弧炉炼钢的过程中融入机电一体化设计，用机电一体化的控制系统操作电弧炉，将会是电弧炉应用发展的一大进步。

一、电弧炉的控制系统

1.控制器

电弧炉是指利用电极电弧产生的高温冶炼钢铁金属的电炉，操作简便，占地面积小。在电弧炉液压式电极调节系统中，电弧炉的控制器主要有模拟控制器、PLC控制器和工业计算机控制器三种。模拟控制器是最早应用在电弧炉上的控制器，价格低但控制性能不佳，主要应用在小容量电弧炉上；PLC控制器又叫可编程逻辑控制器，在目前工业领域应用广泛，是一种具有微电子处理机的数字电子处理设备，稳定性较高，但响应较慢，对大型电弧炉的智能控制难以满足。目前国内大部分电弧炉使用的还是PLC控制器，用户可以根据需要自行编辑程序以满足生产需求；工业计算机控制器作为现阶段电弧炉制造生产的发展方向，具有大型运算能力和较高的稳定性。

2.控制策略

电弧炉的控制策略分为恒电流控制、恒功率控制、恒阻抗控制三种。下图为常见的电弧炉自动控制系统示意图，进料口、加热接触和排气泄放设置主要控制送料控制、加热反应和液态金属排放三个控制阶段。

自动控制系统示意图

恒电流控制主要通过对电机升降进行控制实现稳定控制电弧电流，但这种控制方式也存在一定缺陷。在三相电流电弧炉中ＩＡ+ＩＢ+ＩＣ＝Ｏ，很容易出现误控制的短路状态。恒功率控制也存在不足之处，单向电弧功率＝电弧电压×电弧电流，在这种情况下，无论是电弧电压还是电弧电流的升高降低都会引功率变动，而电弧炉的工作特殊性决定了其外部环境和内部环境的影响因素都很多，在不确定因素的影响下极易引起操作失误，由此可见恒功率控制的不稳定性。相较而言，恒阻抗控制的稳定性就高得多，从下表1中电极移动对各参数的影响可以看电极电压上升电流电流下降阻抗上升，电极电压下降时电流升高阻抗下降，电极的升降关系与各参数之间的关系清晰明了。

表1电极移动对参数的影响

二、机电一体化设计

1.机电一体化设计

机电一体化设计主要指在工业机构中的动力功能、控制功能等主功能中加入电子技术，实现软件技术、设计和装卸设置三者的融合统一，从设想提出到进一步的创立发展，机电一体化设计越来越成熟立体，现在很多大学和专科院校都开设专门学科介绍研究机电一体化设计。在电弧炉中融入机电一体化设计工作，必须对电弧炉的工作原理和控制系统有相当的了解，在设计中反复审核，选择最优方案。机电一体化设的产品中有机融合了微电子技术、机械技术、自动控制技术等，本文主要介绍了其自动控制技术在电弧炉中的应用，对控制系统的质量和性能都能有一定改善。

机电一体化设计的方法主要分为整体法、取代法和组合法。整体法指将机械部分与电子部分有机整合，从设计入手，设计者要打破传统设计思维的限制，用逆向思维和创新性思维方式去探究如何实现机械技术和电子技术的整合。取代法是一种用电子技术替代机械技术的方法，多用于电子产品中，用电子线路替代机械结构完成机构控制，可以满足多样化的控制需求，简化结构，节省成本，在电子线路与机械结构的有机结合中替代机械控制系统，提升产品的智能化程度。组合法即将不同的功能模块组成各个或一个机电一体化系统的方法，当取代法无法满足功能需求时，用一体化的多功能模块综合系统扩展使用功能多样性，提升产品质量。

2.机电控制系统

机电控制技术是一种综合性技术，需要如微电子技术、通信技术、自动控制技术等多种技术的共同配合参与，管理人员可以通过网络连接等实现远程控制，无人机操作、计算机远程控制等都是在此基础上形成发展的，保证了人机之间的有效联系与互动。

自动控制技术是机电控制系统中一项主要技术，机电一体化技术融合了计算机技术和自动控制技术。自动控制技术的理论基础有经典控制理论和现代控制理论两种，经典控制理论注重利用数学工具和函数方法进行系统分析，用自动调节其的反馈作用控制系统的中心环境，在现代控制理论中，研究对象较为复杂，具有多变量、非线性的特征，在数学上要用到矩阵论、线性代数和集合论等理论，最优控制和自适应控制等四种控制。两种控制原理的共性就是利用精确的数学模型，用数学方程和函数表示控制对象和参数。在时代的发展中，机电一体化设计逐渐趋向智能化、微型化和绿色化发展，传统控制理论越来越无用武之地。机电控制技术注定会有更多创新的设计理念和设计方法，在未来经济水平和科学技术不断发展的情况下，将会在自身质量性能上获得更大进步与提高，为电弧炉的应用做出更有效的保障。

三、机电一体化设计在电弧炉上的应用

与电子计算的发展历程相似，机电一体化设计在极短的时间也得到了高速发展，在电弧炉的控制应用上，主要是国外一些企业公司开发的调节系统，如TDR数字式调节系统、SIMETALAcros系统、SimwtalSimelt数字电极控制系统和IEAF智能控制系统，各有其优势。在TDR系统中，具有可靠性高的运行和稳定性好的电弧，响应时间短且操作简单。SIMETAL是由奥地利VATRON公司开发研究的一种基于Windows是电极控制系统，包含ArcosNT系统，负责控制算法和各参数的调节，DynAcros系统具有根据温度变化计算最优阻抗设定值的功能。在SimetalSimelt控制系统中，有3个独立的过流控制器和一个短路控制器，板胡功能较强，也能及时避免局部热点和短路故障，对电弧炉灵活控制，保证了电弧行为的优化和动态响应。在Tenova开发的IEAF智能控制系统中，通过传感器反映的信息和参数变动全面控制电弧炉，可以实现稳定的电弧炉运行，更少的CO2排放量、节能减耗，符合现代电子机械工业的发展趋势。

参考文献：

[1]李进生.浅析机电控制系统自动控制技术与一体化设计[J].通信电源技术，2013，30（01）：73-74.

[2]延博.浅析机电控制系统的自动控制技术与一体化设计[J].山东工业技术，2016，（03）：167+228.