整流系统的抗干扰和稳流技术冶金电气自动化控制技术

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1、整流系统的抗干扰和稳流技术冶金电气自动化控制技术摘要：有色冶炼企业整流装置控制系统的可靠运行至关重要，如何提高整流控 制系统的可靠性，减少不必要的停车，对企业的安全生产，节能降耗意义重大。关键词：整流系统 抗干扰 稳流1 引言 随着自动控制系统的发展，小电流控制大电流，弱电控制强电已成必然发展 趋势。控制信号已由 0-5 伏 4-20 毫安，进化到 0-1.8 伏和几十微安。伴随而来的 干扰问题显得尤为突出，欲提高控制系统的抗干扰能力，除了在设计系统本身的 电子线路、结构以及软件时应予考虑的各项抗干扰措施外，更重要的是如何提高 整流控制系统在生产中的抗干扰能力。随着大功率晶闸管整流装置的推广应

2、用及 相继投产，为直流输出电流作自动调节的自动稳流装置也逐渐成熟。在有色冶炼 生产中，由于直流电流、高压电网的波动、电解槽数目的增减等都直接影响电解 槽的稳定运行。直流电流的不稳定输出也影响到后续环节的操作和控制，给安全 生产带来隐患。而晶闸管自动稳流装置将很好地解决这一问题，它能稳流输出直 流电流并且同计算机自动控制技术一起达到精确的稳流效果。2 有色冶炼电解整流装置的组成 整流装置主要由整流变压器、整流装置、大电流刀开关、大电流传感器等设 备组成。整流变压器将高电压电网的正弦交流电压变为整流装置所需相数的低电压， 并通过调节相位角来改变交流侧及直流侧的电流。采用有载调压粗调，控制触发 角作

3、为细调相结合的调压方式，当导通角小于升档设定值时上位机提示进行升档， 避免因导通角自动联动，有载调压开关频繁换档而降低开关的寿命。我公司采用 ZHSFPT-17500/110型变压器，三相桥式全控同相逆并联，接线方式为Z/-，冷 却方式为强油风冷，整变移相角分别为两台整流变移相角相差30度，单机组12 脉波运行。在整流机组中，整流装置是核心部分，利用晶管单向导电的性质将三相工频 交流电转变为可调稳定的直流电。我公司选用株洲科瑞变流电气有限公司生产的 KHS-22kA/820V 整流装置。整流拒技术具有如下特点：（1）采用单套12 脉冲整 流调节控制方式，整流器单机组等效12 脉波， 2组6脉波

4、的整流单元在电压变比 阻抗压降、控制角度、输出功率方面都一一对称， 4台为48脉波，有效地降低电 网谐波含量，减少谐波在电网中的传输危害。（2）三相四线 380V 同步电位信号（3）直流和交流反馈方式。（4）自动稳流精度为0.2%。（5）功率因数0.92O 整流柜采取三相桥同相逆并联整流。KX-96A是新型计算机自动化晶管整流机组控制柜。采用SIEMENS高档系列PLC 模块作为网络管理器。综合先进的计算机控制通讯技术，实现了与上位机的 通信。自动稳流精度优于0.2%，移相范围 0-150，采用冗余技术，当运行通道发 生故障时自动切换到热备用通道，切换过程无电流扰动，可以不停电更换故障通 道，

5、数控操作器和数字调节触发器及双通道热备用控制器用简洁可靠的微型网络 互联，自动检测数控操作器的加入、退出、故障。整流柜的稳流调节控制器触发采用单片机数字双通道系统，其中的数字控制 和数字触发 2 个通道互为热备用。 2 个通道都能够独立运行并具备自动诊断功能 可根据运行情况方便地进行无扰动切换。继电保护控制核心采用 S7-200 型 PLC 可 编程控制器。CPU功能强大、节点容量大、扩展数量多、单柜机组PLC就地安装 控制，就地实现各项控制和保护，使保护有效可靠，再传送给上位机，实现就地/ 远方控制。直流大电流传感器SDA具有精度高，低耗能的特点，功耗小于5VA,是一种 采用霍尔组件作为检测

6、组件的直流传感器。主要结构是一个有n个气隙的环形磁 路，能够耐受脉冲冲击和高次谐波的干扰，传感器位于刀开关附近，远离了变压 器强大的电磁干扰。3 整流装置常见干扰问题 我公司的整流装置，出现过几次不同程度的干扰和电流波动，归纳起来有如下问题。3.1 电压变化干扰 所谓“电压变化”系指供电电压逐渐变得高于或者低于额定电压。变化的持续时间相对于周期来说，可长可短。与低压电网连接的控制系统，由于供电电网、 变电设备发生故障，或由于负荷突然发生大的变动乃至负荷连续变化，直至系统 备用电源的切换均能引起电压暂降、短时中断和电压变化。值得注意的是，整流 控制系统在工程的应用中，往往都是两路电源热备供电。在

7、两路电源的切换过程 中，无论是采用继电器或者是其他的方式，对控制系统必然会有一个短暂的电源 中断时间。这个因热备电源的切换所带来的短暂的中断时间应该小于控制系统的 允许值（即抗扰度）。其最小值为10ms, 般的控制系统允许的短暂的中断时 间可达 20 ms。3.2 浪涌（冲击）干扰 浪涌的主要来源包括电源系统的切换瞬变、各种系统的故障（如接地系统间的短路等）和雷电瞬变（包括直击雷和感应雷）等。浪涌的特点是上升沿的变化 速度快，瞬态功率大。3.3 静电干扰 静电系由非常低的能量累积以电容模式储存在人体或设备表面，由突发触及使其储能以极大的速度崩溃放电而成，其频宽可由数百MHz到数个GHz。静电放

8、 电具有高电位、低电量、小电流和作用时间短的特点。任何物体间的接触和分离 就会有静电产生，从控制系统的制造到使用，包括运输、存放以及操作人员在人 机界面上的接触，都有静电的释放。其中人体是最主要的静电放电源头。3.4 工频磁场干扰 工频磁场是最常见的干扰源。如导体中的工频电流，变压器等电力设备的泄漏磁通，整流柜产生的高次谐波等。3.5 脉冲磁场干扰 脉冲磁场是由雷击以及由在低压、中压和高压电力系统中故障的起始暂态产生的。对整流变压器，脉冲磁场也可由断路器切合高压母线和高压线路产生。对 控制系统而言，威胁最大的是雷击时在空间产生的脉冲磁场。4 主要抗干扰措施为消除以上于扰采取的主要施有：4.1

9、电缆的静电屏蔽在有色冶炼整流设备施工中，不允许将信号线和交流电源线敷设在同一根电 缆里或一个走线槽里，而且还需要将信号线和电源线以及高频信号线等保持一定 的距离。我们常用屏蔽导线来防止外界磁通对导线的影响，导线的屏蔽要十分注 意屏蔽体的接地问题。无论是屏蔽双绞线，或者同轴电缆，为了抑制电容性耦合， 一般是单端接地，通常是在控制室侧接地。当控制系统遭雷击时，由于雷电电磁 脉冲的磁场强度非常强大，电缆的屏蔽方法还不足以抑制雷电波的生成。此时， 应采用电缆的双层屏蔽：两个屏蔽层的层与层之间是绝缘的；内层单端接地，抑 制电容性耦合；外层两端或多端接地，抑制电感性耦合，噪声电流只能在外屏蔽 层上流动。4

10、.2 系统的接地和等电位连接 低压系统接地制式按配电系统和电气设备不同的接地组合来分类，有 TN-C、 TN-S、TN-C-S、TT、IT 等五种。系统的接地和等电位连接要求有：1 ）控制系统的接地装置应优先使用共用接地网，当共用接地网的接地电阻达 不到要求时应增加人工接地体。2 ）当设置人工接地体时，人工接地体宣在建筑物四周散水坡外大于 1m 处埋 设成环形接地体，并应和共用接地网连接。3 ）控制系统的交流电源 400/230V 供配电系统应采用 TN 系统，从建筑物内 总配电柜开始引进的配电线路和分支线路必须采用 TN-S 接地制式。4 ）当现场仪表的金属外壳通过金属安装支架或金属设备自然

11、接地时，为防止 因雷击时造成地电位差的反击，现场仪表的金属外壳必须就近接地并实行等电位 连接。对外部的电缆要采用金属材质走线槽，并采用双层屏蔽和接地措施；电源 电缆、通信电缆在室外的敷设段应在双层屏蔽的前提下尽量采用埋地方式，尤其 是在进控制室前大于 15 米的距离内。同时要利用控制室建筑物的结构钢筋、金 属门窗等进行格栅屏蔽。4.3 系统的静电防护 随着微电子技术的发展，产生的大规模集成电路的绝缘层越来越薄，其互连 导线的宽度和间距也越来越小，抗过电压能力越来越差的时候，静电构成的威胁 也越来越大。静电它不仅发生的概率高，而且可以通过多种路径进入系统而又不 立刻被人们所察觉。如果将带电导体接

12、地，就能够使带电导体上的电荷泄漏。从 表面上看，这和“引雷人地”的原理是一样的。但是静电对地的泄露，和“引雷入地” 所不同的是，雷电浪涌是通过控制系统的端口进入系统的，所以必须要在浪涌进 入系统前，以最快的速度将其释放掉。而静电是通过包括人体或控制系统的人机 界面等多种路径进入系统的，必须要控制它的泄漏速度。当人体通过控制系统的 人机界面将携带的电荷通过控制系统的接地释放的话，为防止泄露电流将释放路 径附近的元器件损坏，放电必须缓慢进行，以限制电流。所以在静电防护中有硬 接地和软接地之分。硬接地为直接与大地电极作导电性连接的一种接地方式。软 接地，通过一足已限制静电泄露电流达到安全值的电阻（或

13、通过材料内固有的电 阻）连接到大地电极的一种接地方式在静电防护工作区内，保护控制系统免遭静 电的危害，主要是提供接地路径以使静电防护设备、材料和人员具有相同的电位。 静电防护工作区内的导体，包括人员在内，必须与公共地相连，使导体和人员的 电位相同。只要使系统中的组件维持相同的电位，即使高于参考的零电位也能起 到静电保护作用。5 稳流工作原理及对策5.1 稳流电流的给定（1）就地给定。在整流控制柜上手动设定所需的运行电流，一般用于调试阶 段。（2）操作控制器给定。点动、连续升/降。（3）上位机操作给定。在主控室上位机上点动、连续升 /降、直接输入数值。 在正常运行时，操作人员可在主控室灵活控制各

14、整流器的运行电流。彼此不 受约束。设置上述3 种给定，操作灵活、快速，在需要切换某台机组时系列电流 无明显波动，在计算机控制机组投入切换的过程中，各机组的输出电流值自动平 均分配。可靠地保护了电解生产的需要。5.2 计算机闭环反馈系统 为了使自动稳流系统稳定可靠，运行信号的采集采用双回路形式，既有直流 反馈，又有交流反馈，同时使用带有屏蔽功能的双绞线来传输信号，形成一个可 靠的闭环系统。交流反馈信号取自整流变压器的阀侧电流互感器。直流信号取自 直流母排上的直流传感器。直流传感器采用SDA型直流传感器，其应用霍尔感应 原理制成，具有精度高，损耗低，测量准确的特点。正常情况下取直流信号为反 馈信号

15、，形成闭环负反馈系统与控制柜的给定信号通过 CPU 内部比较来调整直流 电流的输出，从而保证稳流系统的运行稳定。5.3 稳流过程 每台整流控制柜中的自动稳流系统采用独立的电流小闭环控制系统。具有优 越的稳流性能。当系统工作在自动稳流方式时， CPU 对电流给定信号和反馈信号 相比较，将其偏差作PI调节运算，当电网电压或负载发生变化时，输出电流也随 之波动，电流反馈信号跟着变化，经PI调节运算输出一个相应的移相控制量给触 发器，使触发器输出脉冲的相位（控制角）相应地改变，从而达到调整直流输出 电流，实现闭环自动稳流的目的。6 结束语 有色冶炼整流装置控制系统是一个不断完善和不断发展的系统，关系到生产 的各环节，只有满足以上要求控制系统的可靠性才会有保障，才可能做到安全稳 定生产。