用PLC系统实现真空自耗电弧炉功率因数自动补偿的研究

张晓剑

摘 要：文章介绍真空自耗电弧炉，根据整流电源的功率因数与电流之间的数学关系，利用PLC系统自动计算、动态控投补偿电容，实现电弧炉功率因数自动补偿，与传统的专用的动态功率因数补偿装置比较，本方案运行可靠，操作简单实用，投资低。

关键词：真空自耗电弧炉；PLC；功率因数补偿

引言

几乎所有的真空自耗电弧炉的整流电源，不论其使用晶闸管可控整流的方案，还是饱和电抗器调压整流的方案，都存在一个共性问题，其运行时功率因数都很低，一般为0.45～0.7。我公司3台10吨真空自耗电弧炉，采用晶闸管可控整流，最大电流40kA，配有1套800kvar的电容补偿柜。由于初期的功率因数补偿采用固定补偿电容方式，经常出现无功功率过补现象，功率因数补偿效果不好。后来根据功率因数与电流之间的数学关系，通过熔炼电流的大小，利用PLC系统自动计算、动态控投补偿电容，取得很好的补偿效果。此方案操作简单实用，运行可靠并且投资低，下面就此方法做简单的探讨。

1 电弧炉的熔炼整流电源结构

每台电弧炉的整流电源由2套整流柜组成。每个整流柜是一个12脉冲的可控硅三相整流器，输入交流电压690V，最大输出直流20kA，最小输出直流1kA，运行电压最高40V。两台整流柜一起最大输出电流40kA，因直流电源采用12脉波可控整流方案，总体装机用电量并不大，所以其注入电网的谐波含量是满足《GB/T 14549-93》電能质量公用电网谐波》规定的。

每台整流柜配一套电容补偿柜，400kvar电容组。两套系统共提供800kvar的无功补偿。

2 功率因数补偿的理论计算

根据功率因数理论计算：

cos？覫=P/S，

Q=S2-P2

Q=P*tg？覫

△Q=Q1-Q2=（tg？覫1-tg？覫2）*P

其中Q1、Q2为补偿前和补偿后的无功功率。P为有功功率，△Q为需要补偿的无功。根据真空自耗炉熔炼工艺的熔炼电流电压值，可以推算出需要补偿的无功功率值，表1根据工艺电流电压计算功率因数从0.7提升到0.9或0.95所需无功功率。

表1 熔炼电流与无功补偿的计算表

由表1 可以得到，如果把800kvar的补偿电容分成8组，不同大小的电流对应不同数量的无功补偿值，就可以把功率因数补偿至0.9～0.95之间。只有在40kA电流熔炼过程中，补偿后的最大功率因数为：cos？覫2=cos（arctg（tg？覫1-△Q/P））=0.89，一般熔炼工艺很少用到。

3 真空自耗电弧炉工作过程

真空自耗电弧炉的熔炼过程可分3个阶段：起弧阶段，熔炼阶段，补缩阶段。起弧阶段持续时间约1小时，电流由4kA慢慢升高；然后进入正常熔炼阶段，电流一般为30kA～38kA，持续时间约4～5小时；最后进入补缩阶段，电流逐步降低至8kA，持续时间约3～4小时。因此，熔炼过程有40%的时间是在低电流熔炼阶段。

原功率因数补偿方式是固定补偿，即在熔炼的3个阶段中，800kvar补偿电容全部投入，在正常的熔炼阶段，电流为30～38kA，功率因数可补偿至0.9；但是，在低电流熔炼阶段（起弧阶段和补缩阶段），对电网就有600kvar左右的无功过补偿，造成功率因数不升反降。

4 功率因数过低的危害

众所周知，这种长期存在的过补偿已经改变了负载的性质，把原来的感性变为容性，电力系统中出现容性的无功电流，会造成供电线路中电流不减小，反而会随着过补偿程度的加深而变大，增大的线路损耗。电力部门要求用户的功率因数不能小于0.9，公司也因功率因数不合格而被供电部门多次警告或罚款。

5 PLC控制补偿方案确定

解决功率因数过补偿的问题完全可以采用专业的动态补偿装置，但是采购这样的补偿装置投资大，周期长，同时，还会增加真空自耗电弧炉的控制系统的复杂性。真空自耗电弧炉的控制系统主要由西门子S7-400PLC控制系统硬件，具有检测整流电源的电流和电压的模拟量硬件接口，和控制补偿电容的开关量输出硬件接口。我们完全可以利用电弧炉的PLC控制系统实现对整流电源功率因数的动态补偿。

6 PLC编程实现

首先，我们可以根据表1，把无功补偿电容分成8组，每组100kvar。然后，在S7-400PLC内新建1个FB功率因数补偿功能模块，通过OB1调用。在FB功能模块程序中定义8个门限值，门限值分别为：5A，10kA，15kA，20kA，25kA，30kA，35kA，38kA。另外，定义8个控制输出DO，分别控制8组电容补偿器。根据表1，当熔炼电流大于相应的门限值时，即启动相应数量的补偿电容；当熔炼电流降低至相应门限值以下，就退减到相应数量的补偿电容，完成功率因数动态补偿过程。

7 结束语

本方案运行可靠，操作简单实用，投资成本低。公司真空自耗电弧炉的整流电源，经整改采用PLC控制系统实现功率因数动态补偿后，经多年运行测试，控制后的功率因数一直在0.9以上。公司也因功率因数的提高多次获得供电部门的奖励和表扬。

参考文献

[1]李宏.浅谈直流电弧炉用电源的发展[J].电源技术应用，2010（2）.

[2]张继玉.真空电炉[M].冶金工业出版社，1994.